[发明专利]基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线

说明书

本发明提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，主要解决现有龙伯透镜加工成本高，精确度低的问题，以及平面透镜天线增益低及波束扫描效果差的问题。其包括超材料透镜(1)和馈源(2)，且馈源放置在超材料透镜的外表面。该超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，每个晶胞由金刚石结构或木块堆积结构的介质柱(121)组成，相邻晶胞的介质柱相互连接，每个晶胞的介质柱半径不同，以实现所需的等效介电常数。本发明频带宽，增益高，副瓣低，成本低，便于加工制作，能实现360°波束扫描，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽频带低副瓣龙伯透镜天线，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。

背景技术

龙伯透镜是一个球形，其由数层从内到外折射率逐渐减小的材料制成，可以发射和接收电磁波。龙伯透镜天线包括透镜和馈源两部分，其具有宽频带，高增益和多波束的特点，可用作广角扫描天线。

传统的龙伯透镜是通过将其分成有限数量的同心壳来实现的，从中间开始叠加不同厚度的薄层，每个薄层使用具有不同介电常数的均匀材料制造，然后将所有壳组装在一起。通常采用发泡工艺技术和开孔结构技术来实现不同的介电常数，这两种方法制作工艺难度高，成本高，耗时，且精确度不高。

近年来，电磁超材料在电磁领域应用越来越广泛，其作为一种人工材料，即人为制成的周期性排列的单元且具有自然界中材料所不具有的新型性质，可以根据设计过程中的需要做相应的改变和调整，相比传统材料具有很强的灵活性。

国内外已经有许多学者采用超材料单元制备龙伯透镜天线，并取得了理想的效果。公开号CN104282999A东南大学的崔铁军教授团队提出了一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其由15层圆形介质薄层沿径向等间距排列而成，每层上周期分布着“I”型非谐振单元结构，通过调整其臂长尺寸来实现二维龙伯透镜天线所需的折射率分布特点，且设计出的透镜天线在低频时，有效介电常数和磁导率基本不随频率的改变而改变，因此具有较好的宽带特性，且由该结构构成的龙伯透镜具有将球面波在透镜另一侧转变为平面波的特性，但缺点是该透镜天线的增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不是很好。

然而，目前，电磁超材料的研究主要以二维平面结构居多，所以利用电磁超材料设计的龙伯透镜也主要是二维平面结构。由于平面透镜本身的结构和特性限制，存在难以实现高增益，高效率以及广角波束扫描的不足。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，以解决传统方法工艺难度高，成本高，耗时，精确度不高的问题，以及基于超材料的二维龙伯透镜增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不好的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

技术原理

光子晶体是一种由不同介电常数介质材料在空间周期性排列形成的人工电磁介质结构体。当光子晶体的单胞尺寸远小于与其作用的波长时呈现出超材料特性，通过改变单胞结构参数可调控其等效电磁性能，实现人工电磁介质的可控设计。

本发明正是利用光子晶体这种特性通过改变单胞的参数来实现龙伯透镜所需的折射率分布，为设计三维龙伯透镜提供了一种新方法，提高天线的增益和效率，实现多波束扫描。并采用3D打印技术进行复杂的光子晶体结构快速制造，克服传统制造方法存在的问题。

根据上述原理，本发明基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括:

超材料透镜和馈源两部分，馈源放置在超材料透镜的外表面，其特征在于：

超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；