具体实施方式

本实施例中，图1为平面龙伯透镜天线的俯视图，图2为平面龙伯透镜天线的侧视图，平面龙伯透镜天线包括平面龙伯透镜、第一金属片、第二金属片和至少一个馈源。参照图2，平面龙伯透镜的横截面为圆形，第一金属片和第二金属片为大小相同的带半圆环边缘的圆形，第一金属片和第二金属片的圆形部分半径比平面龙伯透镜的外径稍大，使得第一金属片和第二金属片能够将平面龙伯透镜覆盖住。参照图2，第一金属片位于平面龙伯透镜的一面，第二金属片位于平面龙伯透镜的另一面。第一金属片和第二金属片在垂直于平面龙伯透镜的方向上重叠，将龙伯透镜夹在第一金属片和第二金属片之间，龙伯透镜与第一金属片、第二金属片之间通过粘合剂粘合。本实施例中，第一金属片和第二金属片均采用厚度为5mm的铝合金材质制造。

参照图1，平面龙伯透镜包括内层圆柱和多个外层圆环，各外层圆环逐层依次嵌套在内层圆柱的外围，也就是每个外层圆环的内径逐渐增大，内层圆柱外围嵌套一个外层圆环，该外层圆环的外围再嵌套一个外层圆环，以此类推。内层圆柱与外层圆环之间、相邻的外层圆环与外层圆环之间是空气间隙，内层圆柱与各外层圆环之间通过连接轴连接。本实施例中，参照图1，一共设置1个内层圆柱和9个外层圆环。

本实施例中，内层圆柱与各外层圆环之间通过3根连接轴连接，各根连接轴之间的夹角是120°，连接轴为直径为2mm的圆柱体，并且内层圆柱、外层圆环以及连接轴都使用ABS介质材料制造，因此可以使用3D打印或者一体成形等方式制造平面龙伯透镜，也可以单独制造内层圆柱、外层圆环以及连接轴等部件，在内层圆柱、外层圆环的相应位置加工出供连接轴连接或者穿过的连接部位后，将内层圆柱、外层圆环以及连接轴组装在一起。

参照图1，内层圆柱的半径大于各外层圆环的环宽，由内到外各外层圆环的环宽逐渐减小，即从平面龙伯透镜的径向方向看，位于最内层的内层圆柱的厚度最大，越往外，外层圆环的厚度越小。相应地，越往外，空气间隙的厚度越大。

图1和图2只示出了一个馈源的情况。本实施例中，可以为平面龙伯透镜天线配备多个馈源，其中馈源又可称为DPE-ME-dipole馈源。参照图3，将多个馈源加工在相同的介质基板上以使其整体化，介质基板的内径与所述金属片的外径相匹配，使得介质基板的内沿可以包围住金属片的外沿。各馈源的前端对准平面龙伯透镜的中心，即平面龙伯透镜中的各外层圆环所在圆的圆心。

参照图3，各馈源在平面龙伯透镜外沿的半圆上是均匀分布的，并且各馈源的分布是轴对称的，对称轴与第一金属片和第二金属片的对称轴重合，也就是如果有n个馈源，那么相邻两个馈源所在径向之间的角度差为参照图3，共设有9个馈源，则相邻两个馈源所在径向之间的角度差为20°。

本实施例中，各个馈源的结构如图4所示，其包括一层第一介质基板和两层第二介质基板，其中第一介质基板和第二介质基板均使用Rogers5880材料制造，第一介质基板和第二介质基板的介电常数均为2.2，第一介质基板的厚度为0.508mm，两层第二介质基板的厚度均为1.575mm。第一介质基板的上表面设有微带线和锥形转接线，第一介质基板的下表面设有金属地层，两层第二介质基板分别贴合在第一介质基板的上表面和下表面。微带线的特性阻抗可以是50欧姆。

参照图4，第一介质基板上设有由多个金属过孔构成的基板集成波导，基板集成波导通过锥形转接线与微带线连接。第二介质基板上设有由多个金属过孔构成的偶极子对和反射璧。

参照图3，第一介质基板和第二介质基板上均开有不同尺寸和位置对应的第一通孔。当第一介质基板和第二介质基板重叠在一起时，可以在这些第一通孔中安装塑料螺丝钉等紧固件，塑料螺丝钉对第一介质基板和第二介质基板进行连接和固定，使得第一介质基板和第二介质基板形成一个不会发生内部相对运动的整体。此外，第一介质基板上开有独立的第一通孔用于连接SMA接头，SMA接头与微带线连接。馈源可以通过SMA接头与外部设备连接。

参照图2，第一金属片和第二金属片均设有斜切部分，斜切部分位于第一金属片和第二金属片的朝向平面龙伯透镜的一面边缘。斜切部分与第一金属片和第二金属片的本体之间存在张角，例如对于第一金属片而言，其可以是一个具有一定厚度的金属薄片，薄片具有上下两面，上下两面之间为垂直于两面的平面，当加工出斜切部分之后，薄片上下两面之间形成一个与上下两面之间有一定角度的斜面，可以将斜切部分理解为斜面所在的部分。参照图2，斜切部分使第一金属片和第二金属片之间形成从内部向边缘张开的开口，透过该开口可以看到平面龙伯透镜的外沿。馈源的前端可以指偶极子对所在的一端，馈源的前端对准平面龙伯透镜的中心，可以指馈源中的偶极子对所在的一端朝向平面龙伯透镜的中心，并且图4中微带线所在直线经过平面龙伯透镜的中心。

本实施例中平面龙伯透镜天线的原理包括：

(1)从馈源发出的球面波在经过龙伯透镜的折射后在输出口径面上形成等相平面波，从而使得波束的增益和方向性得到大幅提升，能够实现高增益、窄波束、低旁瓣；

(2)龙伯透镜包括多层介质层，其厚度从中心到边缘逐渐减小，最中心一层为一个圆柱，其厚度最厚，外面九层为圆柱环壳层，最外层厚度最薄，每两层之间有一定的空气间隙，从而实现了平面结构的龙伯透镜，整体呈较薄的平面结构，克服了采用球形龙伯透镜时体积大且不易固定的缺点，结构简单，空间占用小；

(3)整个龙伯透镜可以使用一种介质材料制造，减小了透镜的设计复杂度以及制作难度，例如既易于使用3D打印工艺等一体成型工艺制造，又易于使用组装等低成本工艺制造，更有实用价值；

(4)平面龙伯透镜是相当于从球形龙伯透镜上沿赤道平面上下一定距离切下来一层，而球形龙伯透镜球面上每个点都是焦点，所以所得的平面龙伯透镜侧壁上每个点都是焦点，可以将入射的特定波长的电磁波汇聚到透镜侧壁上的焦点处，反之亦然，因此每个馈源的位置都能得到相同的波束辐射结果，通过切换不同的馈源进入工作状态，可以实现高效率、宽角度的多波束扫描，例如本实施例中在透镜表面的焦点上放置九个分别间隔20°的馈源，通过切换馈源，可实现±90°范围内的多波束扫描；

(5)通过在平面龙伯透镜上下表面各加上一层金属片，有助于约束电磁波在平面龙伯透镜内向前传播，完全穿过整个透镜结构，减少电磁波沿垂直于平面龙伯透镜所在平面的方向传播提高天线增益；

(6)通过在第一金属片和第二金属片边缘加工出斜切结构，可以构成类喇叭型的开口结构，从而可达到增大天线整体增益水平，进一步优化整个龙伯透镜天线的辐射特性。

本发明的技术效果主要是由本发明的结构带来的，同时也与以下参数的具体取值有关：构成龙伯透镜的十层介质圆柱环的厚度L₁～L₁₀，金属片圆形部分半径d，金属片张角部分长度d_f，透镜厚度h₁，金属加透镜整体厚度h₂。

表1

根据上述数值来制造，并对上述数值进行仿真，同时对制造所得的平面龙伯透镜天线进行实测。仿真软件为HFSS，测试环境为SATIMO。仿真和实测的结果如图5-11所示。

图5显示了模拟的场分布图。从图中可以看出，来自馈源天线的球面波穿过透镜，在输出端变成等相的平面波，基本上满足了龙伯透镜天线设计的要求。图6是平面龙伯透镜天线的回波损耗-工作频率仿真及测试结果图。从图中可清楚的看出，从33GHz到37GHz，S₁₁参数低于-10dB，而由于制造误差和测量误差，测量结果高于仿真结果。

参照图7-8，图7为平面龙伯透镜天线的仿真和实测的增益结果图。从图中可以看出，在35GHz处仿真和测得的峰值增益分别为15.64dBi和13.98dBi，其实测结果与仿真结果相比有1.56dBi的增益下降，这个增益下降是由馈源天线三层结构之间的气隙，使用SMA转接头引起的损耗以及测量误差引起的。首先，在实际情况下采用的介质ABS的介电常数与理论值不完全相同，这会导致透镜性能下降。此外，馈源由三个独立的层组成，应在理论上无缝连接，但是，固定在一起时三层之间不可避免存在气隙，导致源天线增益降低，此外，由SMA转接头引起的损耗和测量误差也不能忽略。平面龙伯透镜天线的仿真辐射方向图和实测辐射方向图如图8所示，参照该图，可以观察到铅笔形状的方向图，在仿真结果和实测结果之间保持合理的一致性，可以看出，所提出的平面龙伯透镜天线可以在大大降低加工难度的前提下保持高增益、窄波束、低旁瓣的良好辐射特性。

参照图9、图10和图11，为了研究不同馈电之间的相互影响，评估了不同输入端口之间的隔离度，部分端口的仿真隔离结果如图9所示，对应端口间的实测隔离结果如图10所示，结果表明，在仿真结果中，S参数在34GHz至36GHz范围内均保持在-15dB以下，在实测的情况下，从33GHz到37GHz，S参数都保持在-20dB以下，说明端口之间的隔离度良好，相互影响较小。图11显示了平面龙伯透镜天线在35GHz时的多波束扫描的仿真辐射方向图和实测辐射方向图图，图中共有9个主波束，分别为放置在不同位置上的馈源照射透镜后所得到的结果，其中实线表示仿真结果，虚线表示实测结果。从方向图曲线可以看出，中心波束的增益为15.64dB，边缘光束的增益为15.34dB，这说明包括边缘波束在内的每个波束的增益几乎相同。结果表明，所述平面龙伯透镜天线的多波束扫描范围可以覆盖180°。

本实施例还包括一种具备宽扫描角度的平面龙伯透镜天线制造方法，包括以下步骤：

S1.将龙伯透镜进行分层，计算各层所需介电常数值；

S2.根据所得各层介电常数值，由双层圆柱等效介电常数计算方法计算出各层介质的厚度，构建龙伯透镜；

S3.在所得透镜上下表面加上金属片，通过粘合剂进行固定；

S4.在第一介质基板和第二介质基板上加工金属过孔，对三层介质基板进行机械连接；

S5.将透镜部分与馈源部分一起固定到支撑部分上。

龙伯透镜、金属片和馈源的结构关系参照本发明产品实施例。本发明方法实施例可以取得与产品实施例相同的技术效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，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，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。