[发明专利]毫米波360o全向扫描介质柱透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线，尤其涉及一种毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线。

背景技术

国际上很早就对毫米波多波束天线系统开展了一系列的研究，传统的方法包括采用抛物面反射天线、以及Rotman透镜等，但是这些方法要么结构复杂、扫描范围有限，要么损耗大、工作频带窄，因此都不能满足现代毫米波系统应用的要求。最能体现当今毫米波多波束天线研究水平的是将光学领域中透镜技术的概念应用到毫米波段，这包括了介质透镜、球透镜以及柱透镜天线等，这些透镜天线最大的特点是结构简单、扫描范围宽，可以实现低损耗的宽带工作。下面我们将简要介绍几种典型的毫米波多波束天线系统的结构及其性能指标，并以此提出本发明的内容。

密歇根大学的Prof. G. M. Rebeiz所带领的研究组在1993年提出了一种特别适合于毫米波段工作的介质透镜天线[1]，这种天线最大的特点是可以消除毫米波天线的表面波损耗，1997年进一步，提出这种天线可以用于产生多波束扫描，其馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上[2]。多伦多大学于2001年采用这种介质透镜天线在八毫米波段实现了31个圆极化波束的扫描，可以覆盖±23^o的锥形扫描范围，圆极化带宽（3dB轴比）达1GHz[3]。然而，这种介质透镜天线的扫描范围还是有限，真正实现大角度毫米波多波束扫描的是在2001年由多伦多大学和密歇根大学共同研制的均匀球透镜天线[4]，这是第一次在国际上研制出了工作在77GHz，并能产生覆盖范围宽达180^o的多波束扫描。该球面透镜天线由33个渐变槽天线组成的水平面半圆阵列进行馈电，每个单元产生的3dB波束宽度为5.5^o，这样能覆盖 33×5.5 = 181.5^o的水平扫描范围。该馈电阵列可以很方便地印刷在同一个平面介质基片上，并放置于球面透镜的赤道平面上，由于球面透镜的自对称性，每个馈电单元产生的扫描波束几乎一致，这使得球面透镜的扫描角度非常宽，可以很方便地达到180度扫描。透镜加工则可选用Teflon (ε_r = 2.08)塑料材料制成，这种材料在毫米波段具有很低的损耗，而且价格便宜、加工方便，所以特别适合毫米波段的应用。在77GHz的实验测试结果表明，该球面透镜天线能产生定向性非常好的扫描波束，方向图也非常的干净整齐，在E面和H面的旁瓣电平都低于-20dB，辐射效率高达54%。

由于球透镜天线在加工制作、系统固定等方面存在一些实际困难，这时可以采用更为简单的柱面透镜天线来实现多波束扫描 [5 - 6]。该柱面透镜天线放置于平行板波导之间，馈电仍可采用渐变槽天线组成的半圆阵列，水平放置在两平行板导体之间，以产生180^o多波束扫描。当该平行板波导的高度选为                                                /2<h < 时（其中，是自由空间的波长），就能在平行板之间激励起TE₁₀模，因此该天线极化方向为水平极化。

这种柱面透镜天线产生的方向图为扇形波束，它在水平面内可以实现窄波束扫描，而在垂直面内则产生较宽的波束。文献[6]中报道的均匀柱面透镜天线在 30GHz的工作频率上实现了E面扫描波束宽度为6^o，H面波束宽度为60^o。这种柱面透镜天线可以通过改变透镜直径来调节其E面波束宽度，而H面的波束宽度则取决于H面的有效辐射口径。另外必须要指出的是，当工作于TE₁₀模时，该柱面透镜为一种色散型透镜，柱面透镜的焦距是跟工作频率和透镜的高度有关，因而，这种结构是一种窄带结构，测量结果显示，均匀柱面透镜天线的工作带宽大约在10% - 15%。