一种扇形波束平面透镜天线
阅读说明：本技术 一种扇形波束平面透镜天线 (Fan-shaped wave beam planar lens antenna ) 是由 李海明 徐泽屹 李承张 陈建平 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种扇形波束平面透镜天线,包括：馈源天线和相移表面,其中,所述相移表面能够将三维立体结构介质透镜中非均匀分布的折射率映射为平面透镜表面相移梯度的差异,所述相移表面还包括相移单元。本发明通过8种相移单元代替全部相移值,引入相移梯度因子使得透镜在两个主平面上的聚焦性能形成差异进而形成扇形波束,按照平面透镜各点计算公式得出每个位置所需相移,并将相移单元按规律排列,在简化结构的同时大幅提高了馈源天线的增益,得到的辐射波束为扇形,整体尺寸小、重量轻、易集成、易加工。(The invention discloses a fan-shaped wave beam plane lens antenna, comprising: the phase-shifting surface can map non-uniformly distributed refractive indexes in the three-dimensional stereo-structure dielectric lens into difference of phase-shifting gradients of the surface of the planar lens, and further comprises a phase-shifting unit. The invention replaces all phase shift values by 8 phase shift units, introduces phase shift gradient factors to enable the focusing performance of the lens on two main planes to form difference so as to form fan-shaped wave beams, obtains the phase shift required by each position according to a calculation formula of each point of the planar lens, and arranges the phase shift units according to a rule, thereby greatly improving the gain of the feed source antenna while simplifying the structure, and the obtained radiation wave beams are fan-shaped, and have small integral size, light weight, easy integration and easy processing.)
技术领域
本发明涉及无源器件中的天线技术领域，尤其涉及一种扇形波束平面透镜天线。
背景技术
随着无线通信技术在交通、医疗、安检等领域的普及与发展，越来越多的学者开始专注于研究适用于不同应用场景的高性能天线。毫米波扇形波束天线能够辐射出扇形波束，具有覆盖范围广、抗干扰能力强等特点，在扫描定位追踪、医学成像、防撞雷达等领域具有独特优势。随着超材料的出现以及加工水平的提高，加载透镜成为提高毫米波天线增益的重要途径。光学透镜原理为电磁透镜提供了思路，即置于透镜焦点处的点光源辐射出的球面波经透镜的折射作用转换为等相位的平面波。
在现有的技术方案中，透镜往往采用三维结构如介质球、柱状透镜等来实现良好的聚焦特性，如龙伯透镜等，但是它也具有较大的局限性，如介质透镜常有较大体积与重量，不易集成在高频电路中，因此设计高性能的基于人工电磁材料的扇形波束平面透镜天线具有较为重要的现实意义。
而在设计扇形波束天线时需要同时兼顾波束宽度与天线增益两个指标，现有技术通常无法同时满足高增益与宽波束的设计要求，透镜天线是一种性能良好的解决方案，但目前扇形波束透镜天线大多以柱形或球形透镜的形式出现，而由相移单元组成的平面透镜则更好的解决了透镜天线体积大、难以集成的问题；基于人工电磁材料的相移单元可达到的相移范围较窄，为增大其相移范围常常提高介质厚度，从而导致透镜体型笨重、难以集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扇形波束平面透镜天线，用以解决现有平面透镜天线增益不高、天线体积大不易加工集成的问题。
本发明实施例提供了一种扇形波束平面透镜天线，包括：馈源天线和相移表面，其中，所述相移表面能够将三维立体结构介质透镜中非均匀分布的折射率映射为平面透镜表面相移梯度的差异，所述相移表面还包括相移单元。
进一步的，所述相移单元还包括依次叠加的第一导体、第一介质、第二导体、第二介质和第三导体。
进一步的，所述相移单元包括0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八种，并将整个相移范围0-360°分为相等的八份，
进一步的，所述第一导体、第二导体和第三导体为十字形或矩形结构。
本发明的有益效果为：本发明提出的扇形波束平面透镜天线具有以下优点：
1、本发明提出的扇形波束平面透镜天线相比其他扇形波束介质透镜天线增益更高，其增益最高可达32dB，相比馈源天线的增益提高了20dB，随着H面波束宽度的增加，增益会逐渐减小，但仍对馈源天线有10dB以上的增益提升；
2、本发明提出的扇形波束平面透镜天线的波束宽度可调，通过引入因子，在设计平面透镜时可根据需要调整引入相移梯度因子的取值，在一个主平面上波束宽度较窄且不随的值发生变化，而另一个主平面上的波束宽度则随着相移梯度因子的增大而增大，从而形成扇形波束；
3、本发明提出的扇形波束平面透镜天线的整体尺寸小、重量轻、易集成、易加工，与传统的介质透镜天线相比，平面透镜采用介质加导体的结构，更易集成在微波电路中，且缩小了介质体积，减轻了天线重量，表面导体可通过蚀刻得到，相比介质透镜中的钻孔、磨光等工序，平面透镜的加工工艺更加简单，降低了加工成本，能够用于制作高频透镜天线；
4、本发明提出的平面透镜设计灵活，扩展性强，由于平面透镜由若干相移单元构成，本发明设计的高性能相移单元可以根据不同的排列方式获得不同形状的波束，从而适应各种无线通信系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的扇形波束平面透镜天线的侧视结构示意图；
图2为本发明实施例中相移单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中各平面透镜相移单元的透射系数示意图；
图4为本发明实施例中各平面透镜相移单元的相移示意图；
图5为本发明实施例中馈源H面喇叭天线加载透镜前后的回波损耗示意图；
图6为本发明实施例中馈源H面喇叭天线加载透镜前后的两个主平面的方向图；
图7为相移梯度因子r不同时天线在E面的方向图；
图8为相移梯度因子r不同时天线在E面的方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本发明实施例中提供了一种扇形波束平面透镜天线，其中，平面透镜基于人工电磁材料制作，人工电磁材料为具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工合成材料或复合材料，也被叫做超材料，具有体积小、重量小、易于集成、易于制造的特点。通过导体加介质的层叠结构，能够简便地实现天然材料难以实现的电磁特性，同时也降低了制作成本。
图1为本发明提出的扇形波束平面透镜天线的结构示意图，如图1所示，该平面透镜天线包括：馈源天线1和相移表面2，其中，馈源天线1采用扇形波束天线，例如H面喇叭天线，所述相移表面2能够将三维立体结构介质透镜中非均匀分布的折射率映射为平面透镜表面相移梯度的差异，所述相移表面2还包括相移单元。
相移表面2包括若干相移单元，厚度远小于工作波长。
具体的，所述相移单元还包括依次叠加的第一导体3、第一介质4、第二导体5、第二介质6和第三导体7，由于相移单元的厚度较薄，其厚度远小于透镜天线其它部件的尺寸，因此在应用计算中可以将其厚度忽略不计，即实际应用中将相移单元作为平面结构处理。
其中，介质为超薄介质结构，导体为金属谐振结构，能够有效降低相移单元的厚度，其尺寸参数为实现相移单元大范围相移覆盖提供了足够的设计自由度。相移单元通常采用双层介质与三层导体层叠的结构，为了实现大范围相移，本实施例中的相移单元采用三层导体与两层介质相间隔排列的结构，从而弥补介质厚度小带来的相移范围不足的问题。
进一步的，选定介质后，通过改变导体的形状与尺寸可以达到改变入射波相位的效果，参照图2的示意，本实施例中导体为十字形或矩形结构。为降低设计难度，进一步降低加工成本，常取0-360°相移范围内有限个相移单元来代替全部单元，仍能保持平面透镜的高性能，通过调整导体层的形状及尺寸，相移单元包括0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八种，并将整个相移范围0-360°分为相等的八份，分别为22.5°～67.5°、67.5°～112.5°、112.5°～157.5°、157.5°～202.5°、202.5°～247.5°、247.5°～292.5°、292.5°～337.5°、337.5°～360°及0°～22.5°，其中0～22.5°和337.5°～360°作为一个范围，实际应用中可以看作是-22.5°～22.5°，相移值该范围内时采用0°相移单元，其余各范围采用其中间值对应的相移单元，落在相同范围内的相移可用同一种的单元代替，即计算得到的相移值位于22.5°至67.5°之间时统一采用45°相移单元，得到的相移值位于67.5°至112.5°之间时统一采用90°相移单元，以此类推，从而简化扇形波束平面透镜天线的整体设计和结构。其中，若出现边界值，本发明将每个范围的上边界值归属至该范围，下边界值则不包括，例如当相移值为67.5°时对应45°相移单元。
进一步的，所述扇形波束平面透镜天线表面相移单元分布区别于一般平面透镜，在补偿入射波相位的基础上引入相移梯度因子r，相移梯度因子r使得透镜表面在E面与H面上的相移梯度产生差异。其中，E面为与电场方向平行的平面，H面为与磁场方向平行的平面，电场方向、磁场方向与波矢k构成直角坐标系。在本实施例中波矢k方向为馈源天线指向透镜中心的方向，E面为水平面，H面垂直于E面。参照图1，为透镜天线的方向图，标注了E面与H面。
相移梯度差异导致透镜天线在两主平面上的波束宽度不同，其H面波束宽度随相移梯度变化率因子的增大而增大，而E面波束宽度几乎不变，可以根据实际需要调整相移梯度变化率因子的值，从而形成不同波束宽度的扇形波束。
为了使本实施例中扇形波束平面透镜天线的输出波束为扇形，需使透镜在E面与H面两个主平面上的相移梯度变化有所差异，在E面上的聚焦效果与笔形波束相同，对于H面，增加相移梯度因子r，用来调节相移在沿H平面方向的分布，相移公式为：
其中，表示坐标(i,j)的单元的相移值，
i表示单元在x轴的坐标，x轴对应E平面方向，
F表示透镜焦距，
j表示单元在y轴的坐标，y轴对应H平面方向，
r表示相移梯度因子，其初始值为1。
当r＝1时，相移梯度在x轴方向和y轴方向上的相移梯度相同，透镜上每一点所需的相移为：
根据上述相移公式可以看出，随着相移梯度因子r的增大，在y轴方向上的相移梯度变缓，波束会展宽，而增益会减小，从而形成了扇形波束，因此本实施例提出的扇形波束平面透镜天线可适用于多种不同类型的应用场景。
为了验证本发明的有益效果，进行如下的实验：选取H面喇叭天线作为作为馈源天线，经仿真可得其峰值增益12.1dB，E面波束宽度28.5°，H面波束宽度69.1°。
参照图3～4的示意，本实例平面透镜相移单元采用双层介质加三层导体的形式，为使相移范围覆盖360°，且透射系数足够高，优选的，对于所有的相移单元，第一介质4和第二介质6的两层介质采用完全相同的介电常数为3的Taconic TSM-DS3作为介质制作材料，且尺寸为w＝2mm，厚度为0.25mm。
进一步的，本实验中采用的导体材料为铜，且第一导体3与第三导体7为形状尺寸完全相同的结构，为扩大相移单元的覆盖范围，改变135°相移单元和270°相移单元的结构从而获得难以达到的相移，在本实施例中135°相移单元和270°相移单元的三层导体结构形状完全相同，其中，135°相移单元三层导体结构均为十字形，而270°相移单元的三层导体结构均为矩形。
进一步的，为了保证相移单元的相移范围足够大且透射系数足够高，本实验中各相移单元的具体参数如下表1所示，在实际应用中，可以根据相移单元的结构或介质材料设计各尺寸参数，其目的在于确保相移单元的相移范围足够大且透射系数足够高。
表1：相移单元参数表
a1(mm)
b1(mm)
a2(mm)
b2(mm)
0°相移单元
1.1
0.4
1
1.8
45°相移单元
1.1
0.2
0.6
0.6
90°相移单元
1.1
0.1
1.3
0.4
135°相移单元
1.9
0.1
180°相移单元
1.9
0.4
1.4
0.2
225°相移单元
1.2
0.7
1
1.6
270°相移单元
1
1
315°相移单元
1.1
0.6
1
1.1
其中，十字形导体由两个相同的矩形垂直交叉构成，且组成的十字形导体为对称结构，a1表示构成十字形导体的矩形的长边长度，b1为短边长度；a2为矩形导体的短边长度，b2为矩形导体的长边长度。
参照图5～8的示意，图5为馈源天线反射系数，可以看出平面透镜天线在工作频段反射系数较低，大部分能量得以穿过透镜，图6为加载透镜前后天线在E面与H面的方向图，可以看出平面透镜极大的提高了馈源天线的增益。根据相移公式，焦距F＝150mm时，选取不同的r值，计算每个位置所需的相移，并将设计好的相移单元依次排列，组合成76*76阵列，总尺寸为152mm*152mm，通过将馈源天线1的相位中心放置于平面透镜焦点处，仿真透镜天线性能，图7为不同r值下透镜天线E面方向图，而图8为不同r下透镜天线H面方向图，得到的仿真结果如下：
当r＝1时，得到透镜天线整体增益为32.1dB，H面波束宽度为1.5°，E面波束宽度为1.6°；
当r＝1.15时，得到透镜天线整体增益为30dB，H面波束宽度为4.1°，E面波束宽度为1.7°；
当r＝1.5时，得到透镜天线整体增益为25.7dB，H面波束宽度为12.3°，E面波束宽度为1.4°；
当r＝2时，得到透镜天线整体增益为24.2dB，H面波束宽度为18.3°，E面波束宽度为1°。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。