基于分区结构的透镜天线及其设计方法
阅读说明：本技术 基于分区结构的透镜天线及其设计方法 (Lens antenna based on partition structure and design method thereof ) 是由 张金栋 牛哲源 孟繁宇 吴文 马海斌 蔡嘉琦 张景怡 王翔 余英瑞 刘彦廷 于 2021-03-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于分区结构的折射透镜天线及其设计方法,其该天线包括喇叭天线和设置在喇叭口的介质透镜,该介质透镜采用分区结构。本发明在双曲面介质透镜的理论基础上,通过对介质透镜的折射表面进行分区,不仅可以减轻整个透镜天线的质量,而且较传统同规格透镜天线相比较,提高了增益。本发明利用对折射透镜天线的优化可以进一步减小天线的尺寸和重量,在不影响性能的前提下提高了天线的增益。(The invention discloses a refraction lens antenna based on a partition structure and a design method thereof. On the basis of the theory of the hyperboloid dielectric lens, the refraction surface of the dielectric lens is partitioned, so that the quality of the whole lens antenna can be reduced, and compared with the traditional lens antenna with the same specification, the gain is improved. The invention can further reduce the size and the weight of the antenna by optimizing the refractive lens antenna, and improves the gain of the antenna on the premise of not influencing the performance.)
技术领域
本发明属于电子通信元件技术领域，特别涉及一种基于分区结构的折射透镜天线及其设计方法。
背景技术
随着现代信息与通信技术的快速发展，毫米波技术已经广泛应用在各种无线通信的场合。目前所使用的微波频谱已经变得十分拥挤，所以世界各国都迫切需要对其他频段进行开发以研究。随着对毫米波资源的开发，对毫米波系统及天线的研究已经变得越来越深入，毫米波空气透镜天线因为其方向性较好、分辨率较高、频带较宽，能够实现多波束等优点可以应用在航空航天、卫星通信、无线电通信及卫星导航中。
传统的毫米波透镜天线主要有：介质透镜、空气透镜、金属透镜等，但是在毫米波的范围里面，介质透镜天线在重量、体积和性能方面不弱于反射面天线，具有相对的优势。其优势在于方向性好、分辨率高、频带宽、能实现波束赋形、能够实现多波束、减小了重量和损耗等。但是也有不可忽视的缺点：首先是形成了有害区(如图1所示)，馈源在这些区域上的辐射并不能在口径平面形成x向的平面波，结果使天线效率降低，旁瓣电平升高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于分区结构的折射透镜天线及其设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于分区结构的折射透镜天线，该天线包括喇叭天线和设置在喇叭口的介质透镜，该介质透镜采用分区结构，分区方式为：建立二维坐标系，以介质透镜的中心轴为x轴，以介质透镜的平面为y轴，x轴的正向为透镜曲面指向透镜平面的方向；将介质透镜曲面所在的曲线作为第一虚拟曲线，将第一虚拟曲线沿x轴正向分别平移距离T和2T，分别形成第二虚拟曲线、第三虚拟曲线；
在第一虚拟曲线上，选取(-y1,y1)之间的曲线作为第一曲线；在第二虚拟曲线上，选取(-y2,y2)之间的曲线作为第二曲线；在第三虚拟曲线上，选取(-y2,y2)之间的曲线作为第三曲线，以所述第一曲线、第二曲线和第三曲线形成的闭合曲线，沿着介质透镜的曲面进行切割；其中y1、y2均为正数，且y1>y2。
进一步地，所述第一曲线的两个端点、第二曲线的两个端点和第三曲线的最低点位于同一水平面上。
进一步地，将所述第一曲线的端点与介质透镜焦点的连线形成的射线记为第一射线，将所述第二曲线的端点与介质透镜焦点的连线形成的射线记为第二射线，相邻第一射线和第二射线之间的相位差为2π。
进一步地，该天线将球面波转换为平面波，点源发出的球面波在介质透镜口径平面上同相。
进一步地，所述距离T的计算公式为：
式中，λ为波长，n为折射率，为第一曲线的端点和介质透镜焦点的连线与x轴之间的夹角。
进一步地，所述介质透镜采用的介质为Teflon。
所述折射透镜天线的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据分区原则及透镜剖面曲线利用的几何光程原理，获取透镜天线的各个参数：天线的中心频率，波长λ，折射率n，焦距(-F，0)，介质透镜长度S及厚度d，由此确定焦径比，介质透镜表面金属层厚度h；
步骤2，选定分区宽度尺寸T，并在CST软件中进行优化，使得第一曲线的两个端点、第二曲线的两个端点和第三曲线的最低点位于同一水平面上，得到最终的分区宽度 T，以及介质透镜的高度B；
步骤3，确定喇叭天线的尺寸，根据介质透镜的长度和焦距确定第一曲线的端点和介质透镜焦点的连线与x轴之间的夹角
步骤4，在上述过程形成的介质透镜模型的基础上建立整个折射透镜天线模型，并且优化各个参数，得到最佳参数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采取分区透镜，在实现减轻透镜天线质量和介质损耗的同时，在两侧厚度保持在同一水平面的基础上，可以进一步提高天线的增益；2)可以进一步压缩器件尺寸，减小损耗，在不影响性能的前提下减小有害区的问题。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中折射分区透镜光学几何结构图。
图2为一个实施例中基于分区结构的折射透镜天线的正视图。
图3为一个实施例中介质透镜的曲线切割图。
图4为一个实施例中介质透镜的结构图。
图5为一个实施例中介质透镜的俯视图。
图6为一个实施例中基于分区结构的折射透镜天线的正视图及其尺寸示意图。
图7为一个实施例中基于分区结构的折射透镜天线的二维增益图。
图8为一个实施例中基于分区结构的折射透镜天线的三维增益图。
图9为一个实施例中基于分区结构的折射透镜天线的回波损耗图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1至图6，提供了一种基于分区结构的折射透镜天线，该天线包括喇叭天线2和设置在喇叭口的介质透镜1，该介质透镜1采用分区结构，分区方式为：建立二维坐标系，以介质透镜1的中心轴为x轴，以介质透镜1的平面为y轴， x轴的正向为透镜曲面指向透镜平面的方向；将介质透镜1曲面所在的曲线作为第一虚拟曲线，将第一虚拟曲线沿x轴正向分别平移距离T和2T，分别形成第二虚拟曲线、第三虚拟曲线；
在第一虚拟曲线上，选取(-y1,y1)之间的曲线作为第一曲线3；在第二虚拟曲线上，选取(-y2,y2)之间的曲线作为第二曲线4；在第三虚拟曲线上，选取(-y2,y2)之间的曲线作为第三曲线5，以所述第一曲线3、第二曲线4和第三曲线5形成的闭合曲线，沿着介质透镜1的曲面进行切割；其中y1、y2均为正数，且y1>y2。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一曲线3的两个端点、第二曲线4的两个端点和第三曲线5的最低点位于同一水平面上，能提高介质透镜的利用率。
进一步地，在其中一个实施例中，将所述第一曲线3的端点与介质透镜1焦点的连线形成的射线记为第一射线，将所述第二曲线4的端点与介质透镜1焦点的连线形成的射线记为第二射线，相邻第一射线和第二射线之间的相位差为2π。
进一步地，在其中一个实施例中，该天线将球面波转换为平面波，点源发出的球面波在介质透镜1口径平面上同相。
进一步地，在其中一个实施例中，所述距离T的计算公式为：
式中，λ为波长，n为折射率，为第一曲线3的端点和介质透镜1焦点的连线与 x轴之间的夹角。
进一步地，在其中一个实施例中，所述介质透镜1采用的介质为Teflon。
在一个实施例中，所述折射透镜天线的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据分区原则及透镜剖面曲线利用的几何光程原理，获取透镜天线的各个参数：天线的中心频率，波长λ，折射率n，焦距(-F，0)，介质透镜长度S及厚度d，由此确定焦径比，介质透镜表面金属层厚度h；
步骤2，选定分区宽度尺寸T，并在CST软件中进行优化，使得第一曲线的两个端点、第二曲线的两个端点和第三曲线的最低点位于同一水平面上，得到最终的分区宽度 T，以及介质透镜的高度B；
步骤3，确定喇叭天线的尺寸，根据介质透镜的长度和焦距确定第一曲线的端点和介质透镜焦点的连线与x轴之间的夹角
步骤4，在上述过程形成的介质透镜的模型基础上建立整个折射透镜天线模型，并且优化各个参数，得到最佳参数。
这里优选地，中心频率为76GHz，焦径比为1，厚度d为25mm，分区宽度T为 8.77mm。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
本实施例中分区透镜天线关键设计参数如下表1所示，在CST软件中建立图2的仿真模型，利用CST进行优化仿真。最终的仿真结果如图8至图9所示，结果表明，在频点76GHz时，天线的实际增益可以达到31.6dB，且S11为-22.799。
表1分区透镜天线关键设计参数
本发明在实现减轻透镜天线质量和介质损耗的同时，在两侧厚度保持在同一水平面的基础上，可以进一步提高增益。而且可以进一步压缩器件尺寸，减小损耗，在不影响性能的前提下减小有害区的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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