[发明专利]多波束平面贴片透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及透镜天线，尤其涉及以平面贴片阵列天线的方式来实现透镜天线功能，并且通过馈源偏焦的方式实现多波束的多波束平面贴片透镜天线。

背景技术

多波束天线是指能产生多个锐波束的天线，这些锐波束可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。多波束天线目前应用十分广泛，它的实现方式有透镜式、反射面式、相控阵式和以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。

多波束透镜天线是指利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束，实现电磁波的空间聚焦，当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应形成指向不同的多个波束。这种多波束的实现方式关键就在于透镜的设计，目前主要有平面跟曲面两种形式。

中国专利200480008809.3公开一种无线电波透镜天线设备，包括：半球形龙伯透镜，尺寸大于所述透镜直径的反射板，布置于透镜焦点处的主馈源以及固定馈源所需的臂。这种结构是目前用透镜实现多波束的主要方法，其结构最关键是龙伯透镜的设计，制作要求精度高，且界面处的电磁波反射问题不容忽视。

中国专利201210051097.X公开一种点聚焦平板透镜天线，这种结构虽然用超材料平板来代替传统透镜曲面，但其实质仍然是通过多层介质结构改变折射率分布来获得辐射口径上的平面波前，加工过程较为复杂、造价昂贵且界面反射严重。

多波束反射面天线是指在反射面焦点附近有多个馈源来形成多波束，为避免馈源系统对反射面口径的遮挡，通常采用偏置单（双）反射面的形式。这类天线的实现原理与透镜天线相类似，制作会相对简单些。

中国专利99242196.9公开一种多波束抛物面天线，包括：长方形主反射面，前馈馈源，双反射面，馈源轨道，天线背架，天线支架，前馈支架，轨道支架，底盘等部件组成。这种结构天线效率高、旁瓣性能较好，但是结构较为复杂，体积太大，且遮挡效应影响较大。

多波束相控阵天线是指由许多辐射元排列构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。中国专利93121640.0公开一种有源发射相控阵天线，这种结构可以产生多个独立同步天线波束以照射需要的区域，阵列的所有单元工作在同样的幅度电平，波束形状和方向由相位调节来决定。这种结构的优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束做快速扫描，但其馈电网络复杂、造价昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供以平面贴片阵列天线的方式来实现多波束透镜天线，继承贴片天线加工容易、成本较低且容易赋型等特点，能有效实现电磁波的空间聚焦，并通过馈源偏焦实现良好的多波束功能的一种多波束平面贴片透镜天线。

本发明设有介质安装环、支撑架、喇叭馈源和平面贴片阵列透镜，所述平面贴片阵列透镜与支撑架由介质安装环连接，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜的中心上方并固定于支撑架上，介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源连接。

所述喇叭馈源可设有3个喇叭，每个喇叭可采用10dB喇叭，喇叭之间的间隔可为2.5mm；所述介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源可通过螺丝固定连接。

所述平面贴片阵列透镜可设有264个贴片单元，所述贴片单元之间的间隔可为5.5mm，所述平面贴片阵列透镜可呈椭圆形，椭圆形的长边半径可为132mm，椭圆形的窄边半径可为66mm；所述贴片单元可为上下对称的5层结构，最上层为贴片天线，最下层为贴片天线，中间层为开槽金属基底，最上层与中间层之间为ε_r=2.2的Taconic材料层，最下层与中间层之间为ε_r=2.2的Taconic材料层，中间层的厚度可为17μm。

本发明在阵列透镜的设计过程中最关键的是264个贴片单元的设计，由于存在一定的对称性，因此实际上要设计的单元数为66个。由于只采用一种单元的形式，可通过改变单元结构的参数以及单元中开槽的摆放角度来实现0°～360°的相位响应，且在不同的相移条件下传输系数均满足S₁₂≥-2dB。待设计的66个阵元在透镜阵列中的位置确定好后，根据馈源与透镜的距离以及每个阵元所处的位置就可以求出每个阵元所对应的θ值（分析发现值对阵元传输响应的相位影响不大）。对得到的θ值进行统计，将数值接近的数进行归类，用回归分析求出其中心点的值即为这组阵元对应的θ值。然后根据不同阵元对应的θ值和所需要的开槽角度进行仿真分析得到传输系数和相位响应，对数据进行差值计算就可得出在所需相位响应上的单元结构参数，再将单元的结构参数对应他们的位置进行布阵，这样透镜阵列的设计就完成了。