[发明专利]一种空间一维扫描透镜天线的设计方法及波束扫描方法

说明书

本发明提出一种空间一维扫描透镜天线的设计方法及波束扫描方法，采用空间耦合馈电和极薄的电磁波透镜，波束扫描通过改变馈源的位置来实现，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度。本发明所述抛物线相位分布的透镜天线在波束扫描时，其增益随扫描角度的增加下降缓慢，远优于传统的等光程原理设计的透镜天线；所述波束扫描透镜天线结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段；无需复杂的有源组件，馈电网络，也避免了复杂的透镜设计，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度；制造成本低，功耗低，无需特殊的散热结构，因此成本和复杂度远低于一维相控阵、平面Lunberg透镜和复杂网络一维多波束天线。

技术领域

本发明属于天线技术、无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及一种空间一维扫描透镜天线的设计方法及波束扫描方法。

背景技术

现代无线通信系统，包括雷达、卫星通信、微波通信以及移动通信等，均有要求天线具有一维波束扫描和调控能力，采用方案通常有整体天线一维机械扫描，Butler矩阵馈电网络扫描，Rotman透镜网络馈电扫描，频率扫描，平面Lunberg透镜扫描和一维相控阵扫描等方案。目前，使用机械扫描方式应用较多，通过机械结构和控制电路实现电磁波束扫描和追踪。

Butler矩阵馈电网络扫描天线，Rotman透镜网络馈电扫描天线，都是通过馈电网络的设计来实现多波束和扫描。

平面Lunberg透镜，在馈源辐射方向的一个圆面上通过渐变介电常数材料，设计出焦点刚好位于圆弧上的透镜，根据圆的对称性，整个圆弧都是焦点，并构成焦线。将馈源在焦线上移动或在焦线上放置多个馈源即可实现波束扫描。

频率扫描天线，一般用行波阵，或馈电网络设计，使得天线阵列口面的相位分布随频率变化来实现波束扫描。

一维相控阵天线，是利用天线阵下方移相器组件，对每一列天线单元的相位进行独立控制实现波束扫描。

机械扫描方式虽然应用较多，但是由于其机械结构体积大、响应不实时，且结构设计复杂，急需替代方案。对于巴特勒矩阵馈电网络，Rotman透镜网络馈电等实现方式，虽然可以实现多波束扫描但是受馈电网络限制，只能实现离散特定角度的几个波束，并不能实现连续扫描。同时馈电网络结构复杂系统整体复杂度很高。

平面Lunberg透镜方案可实现多波束，或者通过馈源在焦线上的移动实现波束扫描。但是由于设计原理限制，往往需要在辐射方向设计面积很大的圆形分布透镜，其厚度往往数倍于波长，限制了改透镜的应用场景。

频率扫描天线，波束指向角随工作频率的少量改变而有规律地大范围改变的天线，其造价较低,工作稳定可靠，但主要用于高数据率三坐标雷达，而且波束侧向辐射时，天线的输入电压驻波比会突然增大。因此，这种波束扫描方式难以应用于普通通信系统。

传统一维相控阵天线中，馈电网络与幅相调控系统混合在一起，系统复杂度高，设计限制多，具有效率低、功耗大、结构笨重，且制造成本高昂等缺点，目前主要应用于军事国防领域。

发明内容

针对上述类型的扫描天线存在的问题，本发明提出一种空间一维扫描透镜天线的设计方法及波束扫描方法，采用空间耦合馈电和极薄的电磁波透镜，波束扫描通过改变馈源的位置来实现，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度。

一种空间一维扫描透镜天线的设计方法，其特征在于：

所述扫描透镜天线包括馈源天线、金属壁和抛物线相位分布的电磁透镜，所述馈源天线位于下方，所述电磁透镜位于上方，所述金属壁连接两者，达到扫描透镜天线整体结构支撑作用；

所述扫描透镜天线包括如下设计步骤：

步骤1. 确定馈源天线相位中心到电磁透镜的距离f；

步骤2. 计算馈源天线在电磁透镜所处平面的相位分布：