[發(fā)明專利]一種基于準保角變換光學的全金屬多波束透鏡天線

有效

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• 申請日: 2020-07-16
• 公開（公告）號: CN111697349B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊仕文;劉坤寧;屈世偉;陳益凱;黃明;胡俊
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q19/06
• 分類號: H01Q19/06;H01Q15/02
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務(wù)所 51213
• 代理人: 張秀敏

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于多波束定向通信及波束掃描的基于準保角變換光學的全金屬多波束透鏡天線。它的基本結(jié)構(gòu)包括若干個開口脊波導(dǎo)天線組成的線性饋源陣及互相平行的上下金屬板。該透鏡天線是利用空氣填充、金屬板內(nèi)側(cè)加載金屬圓柱或刻蝕不同等高面的方法，實現(xiàn)了透鏡變換形狀后所需的等效介電常數(shù)分布，解決了在設(shè)計工作于5G毫米波頻段的介質(zhì)龍伯透鏡天線的過程中遇到的一系列的設(shè)計和工程應(yīng)用問題，有助于透鏡天線更好的應(yīng)用于多波束定向通信和波束掃描的使用場景和相應(yīng)的市場需求。基于本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，合理改變天線形狀、天線尺寸、饋源形式，即可構(gòu)成本發(fā)明的其它具體實施方案。

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及到全金屬透鏡天線，具體來說是用于多波束定向通信及波束快速電掃描的基于準保角變換光學的全金屬多波束透鏡天線，尤其適用于工作在5G毫米波頻段和寬角度波束掃描的使用場景。

背景技術(shù)

近年來，隨著5G通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，用于毫米波頻段的多波束天線備受人們的關(guān)注。多波束天線具備高增益和寬角波束掃描等特性，可有效解決電磁波在毫米波頻段的空間覆蓋范圍小和空間損耗大的缺點。本發(fā)明正是基于上述需求，設(shè)計了基于準保角變換光學的全金屬多波束透鏡天線。

傳統(tǒng)的多波束天線多采用相控陣的形式，天線性能較為穩(wěn)定，波束掃描控制很方便，但是傳統(tǒng)的相控陣天線需要較為龐大復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，需要大量的T/R組件，使其成本過高，并且在某些極端條件下的應(yīng)用，例如潮濕、鹽霧、高溫等等環(huán)境中，在使用過程中極易造成損毀，維護起來也不方便，從而極大的降低它的使用壽命，造成性價比不高。多波束反射面天線組成結(jié)構(gòu)簡單，但是其口徑較大，抗風抗雨性能差、波束覆蓋范圍有自己局限性，同時饋源對天線存在遮擋，降低了天線的效率。此外反射面天線的波束掃描多采用機械方式，由于反射面的體積較大，重量較重，這就使得波束掃描的速度也較慢，整體結(jié)構(gòu)笨重。光學成像和聚焦領(lǐng)域的透鏡將不同形式發(fā)散的能量轉(zhuǎn)變成平面波這一特性則極大地豐富了多波束天線的設(shè)計，透鏡天線的低成本、寬頻帶、寬角度范圍內(nèi)多波束掃描且饋電網(wǎng)絡(luò)簡單等特性，倍受人們的青睞。龍伯透鏡天線是一種具有旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的介質(zhì)透鏡天線，透鏡表面的每一個點都可視為焦點。只要在透鏡表面安放多個饋源，便可實現(xiàn)寬角范圍內(nèi)的多波束覆蓋，且波束一致性好。透鏡主體多由防潮抗酸耐腐蝕的介質(zhì)材料構(gòu)成，對周圍環(huán)境的適應(yīng)力強；并且透鏡材料的介電常數(shù)對頻率變化不敏感，工作頻帶取決于饋源的頻帶，可適用于大容量的寬帶通信系統(tǒng)中。例如2002年Bernhard Schoenlinner等人在IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques中發(fā)表的題為“Wide-ScanSpherical-Lens Antennas for Automotive Radars”的文章中，采用射線光學的方法設(shè)計了一個高增益且±90°覆蓋的球透鏡天線，但是該天線相對其工作頻段而言顯得體積龐大不夠緊湊，并且其弧面的饋源擺布方式也降低了天線的集成度。再者，現(xiàn)階段大多數(shù)透鏡天線所采用的透鏡材料為純介質(zhì)和超材料，如吳錫東等人在專利CN 102122762中提出一種毫米波360°全向掃描介質(zhì)柱透鏡天線，該天線采用均勻介質(zhì)柱作為透鏡，故天線口徑效率低。超材料透鏡天線的提出豐富了透鏡的實現(xiàn)形式，然而超材料所固有的高損耗、窄頻帶等缺點嚴重限制了其實際應(yīng)用。尤其是在毫米波頻段，介質(zhì)損耗和超材料的損耗的影響更加顯著。為提高透鏡天線的整體效率，選擇合適的透鏡材料是最直接的有效措施。近年來，空氣填充透鏡或全金屬周期結(jié)構(gòu)被提出用于透鏡天線在毫米波頻段的研究。例如：2002年，Young-Jin Park在IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters發(fā)表題為“AngularIndependency of a Parallel-Plate Luneburg Lens With Hexagonal Lattice andCircular Metal Posts”中，通過在平行板波導(dǎo)之間加載不同尺寸和高度的金屬柱或槽以實現(xiàn)不同的折射率，但是存在帶寬較窄的問題。2016年，Oscar Quevedo-Teruel在IEEEAntenna and Wireless Propagation Letters發(fā)表題為“Ultrawideband MetasurfaceLenses Based on Off-Shifted Opposite Layers”中，提出了基于空氣填充的滑動對稱周期結(jié)構(gòu)的全金屬龍伯透鏡天線，通過數(shù)值仿真證明了該結(jié)構(gòu)能在很寬的頻帶內(nèi)保持較小的色散性，從而大大提高了工作帶寬。2018年，該團隊再次發(fā)表“Glide-Symmetric FullyMetallic Luneburg Lens for 5G Communications at Ka-Band”，在保證透鏡天線性能優(yōu)異的同時，進一步簡化了透鏡天線的結(jié)構(gòu)和工程實現(xiàn)難度，并通過實驗驗證了其可行性。2019年，Hongda Lu在IEEE Transactions on Antennas and Propagation發(fā)表題為“Compact Air-Filled Luneburg Lens Antennas Based on Almost-Parallel PlateWaveguide Loaded With Equal-Sized Metallic Posts”中，基于在平行板波導(dǎo)之間加載相同尺寸的金屬柱，提出了一種小型化、低成本和高效率的空氣填充的龍伯透鏡和對應(yīng)的龍伯反射器透鏡，其覆蓋Ka波段的工作帶寬和多波束掃描特性可應(yīng)用于相應(yīng)的多波束覆蓋場景。