[发明专利]一种聚焦平板天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高方向性的、能够聚焦的平板或类平板的天线。

背景技术

抛物面天线作为天线家族的一个重要成员，广泛地用于卫星通信，导航等领域。抛物面天线具有结构简单、方向性强和工作频带宽等特点，但由于几何外形的限制，制作中需要较高的加工工艺。常用的抛物面天线由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成，具有较好的方向性和较宽的工作频段。文献中很多学者用几何光学的方法来设计改进的抛物面天线，但所得到的天线仍为抛物面形。

发明内容

本发明的目的是提供一种平板形的，或者是类似平板形的，具有高方向性的聚焦天线，该天线具有相同口径抛物面天线的性能。本发明所述的类似平板形是指带有一定曲率的形状。

本发明的聚焦平板天线由数层相互接触的、沿层的平面上具有电磁渐变折射率特性的材料及设置于最下一层具有电磁渐变折射率特性的材料之下的金属平板和馈源构成，其中每层具有电磁渐变折射率特性的材料的厚度小于天线工作波长，电磁渐变折射率特性的材料总层数的厚度为对应口径的抛物面天线的焦距的0.5至1.5倍，其馈源位于天线对称轴线上由对应的抛物面天线的焦点位置经准保角变换映射得到的位置。本发明的这种天线电磁特性与相对应口径的抛物面天线相同。本发明推荐每层具有电磁渐变折射率特性的材料厚度为天线工作波长的1/8～1/12。

本发明的聚焦平板天线中，所述的各层具有电磁渐变折射率特性的材料可由下述的两类材料加工形成：

其一是采用普通的介质板，在每一层介质板上开有通孔阵列，各层介质板上通孔的几何尺寸和所形成的阵列排列位置根据对应的抛物面天线参数经准保角变换映射确定。

其二是采用其表面敷有金属层的介质板，然后去除介质板上局部位置的金属层形成相互间不相连的金属斑点阵列，各层介质板上金属斑点的几何尺寸和阵列排列位置根据对应的抛物面天线参数经准保角变换映射确定。

在本发明中，上述的第二类表面敷有金属层的介质板还可以是市场销售的印刷电路板，也可以是其表面镀有金属层的树脂薄膜。

当覆盖有金属层的介质板厚度小于工作波长的十分之一时，可以填充介电常数约为1的泡沫塑料层以达到这一厚度。

本发明的这种其上有不同的通孔阵列的介质板或有金属斑点阵列的金属介质板将会对电磁波产生不同的折射，而由多层前述材料叠加组成的平板天线，将使通过其间的电磁波因各层不同的折射率而产生折射，形成类似于抛面天线的辐射特性，并形成定向电磁波。

本发明有如下优点：

具有与抛物面天线相似的电气性能，且具有较好的方向性。

本发明中所设计的平板天线，其电磁参数与抛物面的口径宽度、焦点位置及所在层数位置有关，所以可以根据抛物面天线的具体形状和结构进行设计和加工，自由度高，适用范围广。

以往应用几何光学设计的抛物面天线，通常呈抛物面状，形状较复杂，对加工工艺要求高，难于制作，本发明所设计的平板天线，形状简单，易于制作，便于小型化。另一方面，本发明可用于一些特殊物体上，如车辆或者航天器或者航海器的表面，使其兼备定向天线的功能，这一点是现有技术所不能实现的。

本天线呈平板型，利用普通材料加工而成，而且具有聚焦功能，当尺寸缩小时，在太阳能电池等器件中有重要应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中图1(a)为立体结构示意图，图1(b)为平板天线过轴线z的xoz剖面图，图1(c)为平板天线沿xoy截面的一个介质板板面的示意图，由图中可见其上分布有通孔的阵列。图1中1为馈源，2为平板天线底部的金属覆层，3为平板天线区域内嵌的由多层介质板构成的具有电磁渐变折射率特性的材料，4为设于每层介质板上的孔。分层实现的渐变折射率材料与金属覆板平行。

图2是本发明的实测近场电场分布和仿真情况下的电场分布图比较，其中：(a)为本发明的实测近场电场分布图；(b)为数值仿真情况下的电场分布图。工作频率为10GHz。

图3是本发明的平板天线仿真得到的方向图与实测的方向图，和传统抛物面天线仿真方向图比较。图中：实线为本发明的远场仿真方向图，虚线为本发明实测的远场方向图，点划线为对应的抛物面天线的远场方向图。工作频率为10GHz。

图4是当平面波沿轴线方向入射到平板天线上，在xoz截面上过焦点横截线上的电场幅度分布图。工作频率为10GHz。

图5是本发明具体设计时所牵涉的两个区域示意图，其中：(a)为仿真空间，准矩形区域；(b)为物理空间，矩形区域。