一种新型圆极化或双圆极化柱面龙伯透镜天线

摘要

本发明公开了一种新型圆极化或双圆极化柱面龙伯透镜天线。本发明的主要结构包括附着在柱形透镜圆周表面的且极化方向与透镜轴向呈45°夹角的线极化馈源天线1(在实现双圆极化时，应更换为双线极化馈源)和为满足所需折射率及令水平极化TE0波与垂直极化TM0波产生90°相差的具有一定旋转对称剖面形状的介质板波导透镜2。本发明具有旋转对称的结构特征，因而本发明亦可应用于方位面多波束扫面的使用场景中。此时，只需沿柱形介质板波导透镜圆周布置弧形馈源阵，根据单个馈源产生的波束宽度，调整弧形馈源阵元间间距，即可实现方位面的不间断波束扫描。本发明结构简单，加工工艺成熟、稳定，尤其适用于毫米波频段。基于本发明的基本结构，合理改变线极化馈源类型、透镜剖面形状和天线尺寸，即可构成本发明的其它具体实施方案。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到柱面龙伯透镜天线，具体来说是一种可实现 圆极化或双圆极化的基于介质板波导的柱面龙伯透镜天线，适用于毫米波频段多波 束定向通信及波束扫描的使用场景。

背景技术

随着移动互联网产业的繁荣、物联网概念的兴起以及卫星通信技术、导航技术、 雷达抗干扰等技术的快速发展，从频谱资源上分析，传统的低频段频谱资源已经枯 竭，无法满足通信容量提升的需求，需要拓展高频段应用。同时，相对于线极化天 线，圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，而且作为发射天线时，圆极化 天线辐射出的圆极化波可被任意极化方向的线极化天线接受。圆极化波还能够降低 收发天线间的多径效应的影响，抑制远距离传输过程中自然环境造成的去极化效应。 所以，圆极化天线能够更好地保证通信链路的畅通。此外，现今各种应用对天线提 出了更为严格的要求：大容量的卫星和地面站的通信需要较宽的频带甚至圆极化及 双圆极化；多目标跟踪则需要天线有较高的增益，较大范围的波束一致性和较快的 跟踪速度；另外在一些需要多波束的场合如微波遥感和汽车防撞雷达等领域则需要 低成本和高效的多波束通信天线。本发明正是基于上述使用需求，设计了一种可实 现圆极化及双圆极化的基于介质板波导的柱面龙伯透镜天线，尤其适用于毫米波频 段多波束定向通信及波束扫描的使用场景。

龙伯透镜天线的概念在上世纪40年代被首次提出，其基本理论是在保证透镜 介质由内而外的介电常数满足从2到1的变化规律的前提下，可将球面波或柱面波 转变为平面波。同时，柱面龙伯透镜天线是一种具有旋转对称结构的透镜天线，透 镜圆周面上的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽 角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。因此，利用柱面龙伯透镜天线的形式来 实现圆极化及双圆极化有着极其广泛的应用市场。

基于上述柱面龙伯透镜天线的优点，专业研究人员对其展开了广泛的研究，并 研发出多种形式的柱面龙伯透镜天线。专利CN102176538提出了一种多波束介质 柱天线用以实现方位面的多波束，其主要结构有介质柱透镜、平行金属板波导结构 和馈源天线；专利CN101587990提出了一种基于人工超材料的柱形透镜天线，该 天线使用人工超材料来模拟实现标准龙伯透镜对电磁波的折射率；专利 CN102122762设计出一款毫米波360°全向扫描介质柱透镜天线，该天线由三个120° 波束覆盖的柱面龙伯透镜天线沿轴向交叉组阵而成，其透镜天线单元主要结构有介 质柱透镜、平行金属板波导结构和馈源；专利CN102130381提出一种部分介质对 称填充柱透镜天线，该天线基于平行板波导中TE波的传输规律，通过部分介质填 充实现所需折射率分布；OlivierLafond等人在IEEETRANSACTIONSON ANTENNASANDPROPAGATION，VOL.61，NO.4，APRIL2013发表的题为“An ActiveReconfigurableAntennaat60GHzBasedonPlateInhomogeneousLensand Feeders”的论文中设计一个分层柱面龙伯透镜天线，该天线基于介质等效理论，通 过改变平行板波导中的填充介质的等效介电常数获得所需龙伯透镜折射率。综上所 述，现有柱面龙伯透镜天线一般都是基于平行板波导结构，其结构本身注定了该种 柱面龙伯透镜天线为线极化天线。而在很多工程实际应用场景例如卫星通信、“动 中通”通信、复杂环境抗多径干扰通信等，通常需要圆极化电磁波信号。在这些需 要圆极化信号的使用场景中，如果使用传统的线极化龙伯透镜天线，就需要在天线 外面加圆极化天线罩。加载圆极化天线罩后，不仅增加了天线的加工难度，而且会 带来天线结构复杂化、损耗增大、天线效率降低等一系列的问题。

针对目前已公开的专利和论文中涉及到的柱面龙伯透镜天线多为线极化的现象， 本发明提出一种基于介质板波导的新型圆极化或双圆极化柱面龙伯透镜天线，该柱 面龙伯透镜天线采用线极化馈源即可实现圆极化或双圆极化。本发明结构简单，加 工工艺成熟、稳定，尤其适用于毫米波频段。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景和使用需求，设计出一种新型圆极化及双圆极化柱面 龙伯透镜天线。本发明的新型圆极化及双圆极化柱面龙伯透镜天线是基于介质板波 导结构设计的。在介质板波导中，偶次模的TE波和TM波的传输特性分别如式 (1)、式(2)所示：

$TE\left(even\right)\left(\begin{array}{c}p(t/2)=h(t/2)tan(ht/2)\\ h^2+{\beta }^2={ϵ}_2{k_0}^2\\ -p^2+{\beta }^2={ϵ}_1{k_0}^2\\ k_0=2\pi /\lambda \end{array}\right)---\left(1\right)$

$TM\left(even\right)\left(\begin{array}{c}Kp(t/2)=h(t/2)tan(ht/2)\\ h^2+{\beta }^2={ϵ}_2{k_0}^2\\ -p^2+{\beta }^2={ϵ}_1{k_0}^2\\ K={ϵ}_2/{ϵ}_1\\ k_0=2\pi /\lambda \end{array}\right)---\left(2\right)$

其中h为电磁波沿介质板波导法向的传播常数，β为电磁波沿介质板波导的传输， P为介质板波导边界的衰减常数。

由于介质板波导是纯介质结构，相对于平行板波导，介质板波导能够实现TEO 和TMO波的同时传输。基于介质板波导的这一传输特性，利用一个线极化馈源天 线，其极化方向与柱形介质板透镜轴向呈45°夹角，在介质板透镜中同时激励起等 幅的TEO波和TMO波。由式(1)和式(2)可以看出，在介质板波导中TEO波和 TMO波的传播常数是不同的，通过改变介质板透镜的厚度分布及大小，可以在实 现波束聚焦所需折射率分布的同时，实现TEO波和TMO波在出射介质板透镜时有 着90°的相位差。本发明的柱面龙伯透镜天线正是根据上述原理来实现圆极化。当 需要实现双圆极化时，只需将上述的线极化馈源更换成双线极化馈源，其两个极化 方向相互垂直，且与柱形介质板透镜轴向呈45°夹角。

本发明最突出的创新点在于利用介质板波导可支持TEO和TMO波共存的传输 特性，通过调整合适的介质板波导透镜的厚度分布及大小，巧妙地将45°线极化馈 源激励起的水平极化的TEO波和垂直极化的TMO波在实现由柱面波转换成平面波 的同时令二者之间产生90°相差，从而实现圆极化。

本发明的另一个突出创新点在于只需将上述的圆极化龙伯透镜天线的馈源更换 为双线极化馈源，在不改变介质板透镜部分的情况下，即可实现双圆极化，能够有 效地提高设计的可重复使用率。

由于本发明的新型圆极化及双圆极化柱面龙伯透镜天线具有旋转对称的结构特 征，因而本发明亦可应用于方位面多波束扫面的使用场景中。此时，只需沿柱形介 质板波导透镜圆周布置弧形馈源阵，根据单个馈源产生的波束宽度，调整弧形馈源 阵元间间距，即可实现方位面的不间断波束扫描。

同时，本发明中的介质板波导透镜部分，可完全采用机械加工的方式，将一块 圆柱形介质板车铣成一定的旋转对称的剖面形状，具备加工简单的优点。由于本发 明的柱面龙伯透镜为纯介质结构，去除了传统柱面龙伯透镜天线的金属平行板，因 此，本发明实现了天线的轻量化。

本发明的实施方式是45°线极化馈源或双45°线极化馈源辐射的电磁波进入介 质板波导透镜中，利用介质板波导的传输特性，当电磁波通过透镜后，在形成窄波 束的同时，实现圆极化或双圆极化。

附图说明

图1为具体实施方式中，本发明的新型柱面龙伯透镜天线的三维结构图；

图2为具体实施方式中，本发明的新型柱面龙伯透镜天线的侧视图；

图3为具体实施方式中，本发明的新型柱面龙伯透镜天线的俯视图；

图4为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线方位面圆极化辐射方向图；

图5为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线方位面圆极化主瓣附近轴 比；

图6为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线双圆极化方位面辐射方向 图。

具体实施方案

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对 本发明作进一步地详细描述。

参见图1、图2和图3，本发明的新型圆极化及双圆极化柱面龙伯透镜天线包 括附着在柱形透镜圆周表面的且极化方向与透镜轴向呈45°夹角的线极化馈源天线 1(在实现双圆极化时，应更换为双线极化馈源)和为满足所需折射率及令水平极 化TEO波与垂直极化TMO波产生90°相差的具有一定旋转对称剖面形状的介质板 波导透镜2。根据介质板波导中电磁波的传播特性可知，水平极化的TEO波与垂直 极化的TMO波在介质板波导中的折射率与介质板波导的厚度相关，而且两者在相 同厚度的介质板波导中的折射率不同。因此，柱形介质板透镜2的厚度分布及半径 可根据龙伯透镜所需折射率及实现TEO波和TMO波在出射介质板透镜时形成90° 相位差的条件来确定。在柱形介质板透镜2的材料选取方面，其介质板材应遵循电 磁损耗低、介电常数稳定的原则，同时为保证介质板透镜2的可加工性，其介电常 数不宜过高，否则会导致介质板透镜厚度太小，不易加工。在本发明中，介质板透 镜2的板材设计为相对介电常数为2.56的交联聚苯乙烯板材。

图4为本发明的新型柱面龙伯透镜天线实现右旋圆极化时主极化与交叉极化的 方位面远场辐射方向图。HFSS仿真结果显示方位面半功率波束宽度为3.8°。在主 辐射方向，交叉极化电平大于25dB。

图5描述了本发明的新型柱面龙伯透镜天线实现右旋圆极化时主瓣附近的轴比， 可以看出在3.8°的半功率波束宽度内，轴比小于3dB。

图6给出了本发明的新型柱面龙伯透镜天线实现双圆极化时两种圆极化的方位 面远场辐射方向图。HFSS仿真结果显示方位面半功率波束宽度为4.3°。在主辐射 方向，交叉极化电平大于16dB。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非 特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特 征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任 何方式。