[發明專利]一種基于金屬微擾結構的毫米波扇形波束柱面龍伯透鏡天線

有效

• 申請號: 201710531556.7
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107275788B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 楊仕文;任好男;陳益凱;劉坤寧;屈世偉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q3/30
• 分類號: H01Q3/30;H01Q13/06;H01Q15/08;H01Q19/06;H01Q21/20
• 代理公司: 51213 四川省成都市天策商標專利事務所
• 代理人: 譚德兵

本發明公開了一種基于金屬微擾結構的毫米波扇形波束柱面龍伯透鏡天線，俯仰面波束寬度達到104°，并實現了方位面±60°掃描。其結構包括:位于上金屬平板(1)與下金屬平板(2)之間的柱面龍伯透鏡；位于柱面龍伯透鏡焦線上的弧形饋源陣(3)；位于透鏡輻射口徑上按照圓周排列的金屬微擾結構(5)。所述柱面龍伯透鏡包括圓柱形填充介質片(4)，填充介質片以低損耗微波基片作為基底材料，并由內向外按照同心圓結構分為五層，每層上具有不同密度的通孔，通孔填充介質為空氣。本發明不僅輕量化、加工簡單，大大提升了俯仰面波束寬度，并且同時實現了水平面的寬波束掃描范圍，使其能更好的應用于多波束定向通信和波束掃描天線，尤其是毫米波高頻段以及需要軸向組陣的應用場合。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，特別涉及寬角掃描的透鏡天線系統，具體來說是一種基于金屬微擾結構的毫米波扇形波束柱面龍伯透鏡天線，可用于要求寬角掃描的電子平臺。

背景技術

多波束天線(MBA)作為現代天線的一個重要分支，由于其具有副瓣電平低、波束寬度窄、增益高以及波束覆蓋范圍廣等優點，現已被廣泛的應用于雷達系統、電子對抗以及衛星通信等技術領域。

目前最為常見的多波束天線主要有三大類：多波束反射面天線、多波束相控陣天線、多波束透鏡天線。隨著毫米波通信系統的高速發展，在艦載，機載以及基站系統中對于天線的掃描以及波束覆蓋能力的要求越來越高。在毫米波頻段，T/R組件價格昂貴，高成本以及掃描時的增益損失問題成為了傳統相控陣天線的主要瓶頸；而反射面天線由于其機械掃描的原理，在掃描速度上存在很大缺陷；相比之下透鏡天線具有工作頻帶寬，波束覆蓋范圍廣以及波束一致性優秀，對惡劣條件抵抗性較高等優點，并且伴隨著天線工作頻帶的提高以及近年來新型低損耗介質材料的出現，使得透鏡天線的體積、重量大大縮小，口徑效率也得到大幅提高，使得多波束透鏡天線與另外兩種多波束天線相比具有相當明顯的優勢，同時也引起了眾多天線工程師們的廣泛關注。

近年來，國內外天線領域進行了許多關于龍伯透鏡天線的研究與設計。在IEEETrans.Antennas and Propag.,2007,55,(8),pp.2147-2156上發表的Fan-BeamMillimeter-Wave Antenna Design Based on the Cylindrical Luneberg Lens一文中設計了一個基于部分介質填充中心頻率為30GHz的柱面龍伯透鏡，通過對平行板間介質填充部分高度隨半徑的連續變化來滿足龍伯定律的折射率要求。該文所設計的透鏡，副瓣電平為-17.7dB，方位面波束寬度為6.6°，具有良好的輻射性能，但該透鏡俯仰面波束寬度僅為54°，在很多應用場景下并不能滿足寬波束覆蓋范圍的要求。

在公開號為CN105470659A的專利中，公開了一種應用于多波束定向通信及波束掃描的輕量化介質填充式多波束柱面龍伯透鏡天線，通過在低介電常數基底材料上開孔填充高介電常數介質材料來實現所需漸變介電常數，在保證滿足天線電性能的同時實現了天線的輕量化。該專利中的透鏡方位面波束寬度為12°，單層透鏡可以實現水平方向120°波束掃描，三層可以實現水平全向掃描，增益為14.5dB，俯仰面波束寬度為70°，相比于相控陣天線普遍±40～50°的波束覆蓋范圍依然存在很大的劣勢。

在公開號為CN105470660A的專利中，公開了一種基于新型介質填充方式的極低剖面柱面龍伯透鏡天線。該透鏡具有不同半徑的上填充介質片和下填充介質，且上填充介質片的半徑小于下填充介質片，上、下填充介質片各具有n，m層不同分布密度的通孔，其中m大于n(優選為m＝n+1)，且下填充介質片和上填充介質片的前n層的等效介電常數一一對應相同。該專利所公開的龍伯透鏡忽略金屬平板厚度，具有1.575mm的極低剖面結構，增益為20.6dBi，方位面波束寬度為1.6°，雖然采用了極低剖面的結構設計顯著減小了俯仰面口徑大小，但俯仰面波束寬度并未得到改善，僅為40°。