[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，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：其中r为到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，为馈源天线初始相位；步骤3.计算馈源天线在电磁透镜所在平面的能量分布来确定平面电磁透镜的尺寸，以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降到‑10dB为截止点来计算平面电磁透镜的范围(‑r’,r’)；根据步骤2计算的相位分布，对其在(‑r’,r’)范围内采用抛物线公式的近似表达式：r∈(‑r',r')然后依据判定条件min[max|Φp(r)‑Φ(r)|]，r∈(‑r',r')来求得抛物线二次线系数a；步骤4.对步骤3中得到馈源天线抛物线相位分布进行互补，设计相位分布为ΦL(r)＝ar2的电磁透镜结构；所述波束扫描方法，包括如下步骤：步骤a.将馈源天线沿着中心轴线平行放置，保证馈源天线在最下方，并且相位中心位于电磁透镜下方垂直距离f处；步骤b.由已知的电磁透镜相位分布Φ_L(r)＝ar²，和馈源天线相位分布得到总的相位分布：步骤c.运用步骤b的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜平移距离m，则在电磁透镜平面处其相位分布为：而电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所示：步骤d.根据合成相位梯度和天线波束指向的关系：可得到波束扫描角θcom为：