[发明专利]一种基于液晶超材料的二维龙伯透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于液晶超材料的二维龙伯透镜天线。

背景技术

多波束天线中应用较为广泛的抛物面反射器波束覆盖范围较窄且波束差异性较大，在多目标跟踪过程中需转动相对繁重的天线基座；相控阵天线虽有较快的扫描速度，但其波束覆盖范围有限，损耗大，且相移网络复杂、昂贵都不能满足低成本高效毫米波通信系统的要求。光学成像和聚焦领域的透镜将不同形式发散的能量转变为平面波这一特性则极大地丰富了多波束天线的设计，透镜天线的低成本、宽频带、宽角范围内多波束扫描且馈电网络简单等特性，倍受天线设计人员的青睐。作为沿径向折射率渐变介质透镜的代表，龙伯透镜是一种由非均匀介质材料构成的中心对称的介质球，它具有汇聚、捕捉来自任意方向的电磁波的功能，也可以向任意方向发射或馈送电磁波，雷达反射器和天线的研究与设计过程中经常会涉及到龙伯透镜。

传统的龙伯透镜包括使用天然材料、两相混合材料、发泡介质材料以及添加改性发泡材料的方案，存在损耗大、制作困难、成本高等问题。目前的超材料透镜天线大都是通过变尺寸或加载可变电子器件，如二极管、变容管等等实现的，仅采用变尺寸的方案来获取梯度折射率存在折射率自由度不足，即难以完成所需范围内任意折射率的获取。通过加载电子器件可提高梯度折射率的自由度，存在损耗大、体积大、不能工作在高频段等问题。因此，提供一种梯度折射率的自由度高、损耗小、体积小的高频天线就很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的透镜天线损耗大、效率低、带宽窄的技术问题。提供一种新的基于液晶超材料的二维龙伯透镜天线，该基于液晶超材料的二维龙伯透镜天线具有折射率的自由度高、损耗小、体积小的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于液晶超材料的二维龙伯透镜天线，所述二维龙伯透镜天线包括龙伯透镜，以及沿轴向放置在龙伯透镜表面的天线馈源；所述龙伯透镜包括至少一个圆环区域，圆环区域由多个液晶超材料单元组成，所述液晶超材料单元包括水平重合、依次设置的第一介质层、液晶取向层、液晶腔、液晶取向层及第二介质层；所述第一介质层表面设有龙伯透镜结构贴片；所述液晶腔用于填充液晶超材料。

本发明的工作原理：液晶材料在外加偏压过程中有效光学介电常数逐步变化，从而导致其介电常数的逐步变化。因此，利用液晶材料介电常数电可调的性质，可以获得折射率在一定范围内可任意取值的液晶超材料，从而可以实现高效率、宽带宽的透镜天线设计。龙伯透镜是一种由非均匀介质材料构成的中心对称的介质球，它具有汇聚、捕捉来自任意方向的电磁波的功能，也可以向任意方向发射或馈送电磁波，雷达反射器和天线的研究与设计过程中经常会涉及到龙伯透镜。龙伯透镜天线具有宽频带的特点，在扫描天线时无需旋转笨重的天线基座，只需旋转天线馈源即可，并且当扫描角范围很大时，在其范围内波束变化很小。

上述方案中，为优化，进一步地，所述天线馈源为微带贴片天线，微带贴片天线结构包括指数渐变的槽线结构和扇形短截线。

进一步地，所述液晶腔由两个液晶取向层与正交设置的衬垫闭合构成。

进一步地，所述龙伯透镜包括至少七个圆环区域。

进一步地，所述龙伯透镜包括十个圆环区域。

进一步地，所述第一介质层的材料与第二介质层的材料均为RT/duriod_5880。

龙伯透镜属于非均匀介质球，其折射率随着半径的不同而改变，相应的折射率分布公式为:其中r为距透镜中心的距离，R为透镜的半径，到球心处的折射率最大且为距离球心处越远折射率越小，当位于透镜边缘时，即r＝R时折射率取最小值1。从1到取多个离散的折射率值，其对应的不同半径将龙伯透镜划分为相应的几个区域，每个区域中具有相同的折射率值。随着分层数增加，透镜天线的效率会逐渐增大，但是当大于一定层数后，效率变化会越来越缓慢，而制作加工难度会增大。不同圆环区域中的折射率值不相同，每个圆环中对应折射率值及相应单元的半径值及液晶材料的偏压也不同。在加工完成后不能变尺寸的情况下还能通过控制液晶材料偏置电压对折射率进行调控，能有效获得高精度梯度折射率，从而提升龙伯透镜天线的效率。

本发明的有益效果：

效果一，采用的液晶材料具有损耗小、调谐范围大、工作频率高，实现了天线的低损耗、宽频带、高频段；

效果二，减小了龙伯透镜天线的体积；

效果三，通过控制液晶材料偏置电压对折射率进行调控，能有效获得高精度梯度折射率，从而提升龙伯透镜天线的效率。

附图说明