[发明专利]一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，尤其涉及一种可以按照口面场幅度与相位需求进行设计的透镜天线，属于通信、天线技术。

背景技术

在微波毫米波工程中，透镜天线具有旁瓣和后瓣电平小、定向性好等优点，因此在航空、航天、卫星通信、移动卫星通信系统等领域获得重要而广泛的应用。透镜天线实际上就是利用透镜的成像原理，将馈源发射的球面波转化为平面波。传统透镜天线的实现方式有两种，即通过设计透镜天线的外形和设计组成材料的折射率来改变电磁波传播的光程，达到出射平面波的目的。然而，传统凸面透镜天线体积大、笨重、外形加工工艺要求较高，且由于形状特殊，不易于集成；另一方面，传统平板透镜天线在折射率渐变介质的设计、制造上存在致命弱点，即用分层均匀介质代替渐变介质，带来了阻抗失配，导致电磁波的反射增强，进而限制了透镜天线的口径效率。

新型人工电磁材料是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内（或表面）所构成的一种人工材料。新型人工电磁材料和传统意义材料的区别就在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元（原子或分子）。新型人工电磁材料的基本单元一般为亚波长尺寸的电/磁谐振器，具体可以采用金属谐振结构或者打孔介质基板等。由于新型人工电磁材料的特性取决于其基本单元结构，可通过人为控制谐振单元来实现传统材料所不能获得的介电常数ε和磁导率μ。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，利用新型人工电磁材料特有的任意调控电磁波的特性，实现透镜天线口面场幅度分布逼近圆阵泰勒分布、口面场相位分布为均匀分布，从而在宽频带范围内实现低副瓣的天线；该种透镜天线可工作于微波频段，并可通过结构参数的缩放，适用于毫米波和太赫兹波等不同频段。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体、阻抗匹配层和馈源，所述透镜主体和所述阻抗匹配层的折射率分别沿径向渐变分布，沿轴向均匀分布；所述透镜主体和所述阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，所述新型人工电磁材料由周期性排布的基本单元构成。

所述阻抗匹配层设置在透镜主体的两侧，所述阻抗匹配层根据透镜主体的电磁参数分布进行设计。

由于新型人工电磁材料能够实现渐变的介电常数和磁导率，即渐变的折射率，这种性质可以用于实现新型的高性能透镜天线；上述结构中，根据可以对基本单元的排布进行设计，以获得符合透镜主体和匹配层折射率需求（口面场幅度与相位需求）的透镜天线，控制透镜天线口面场幅度分布逼近圆阵泰勒分布、口面场相位分布为均匀分布。

采用新型人工电磁材料实现的透镜天线本质上是在空间内填充了通过光学变换理论设计的新型人工电磁材料，通过新型人工电磁材料的空间导波作用，将由馈源产生的准柱面波或球面波逐渐转换成平面波，从而实现透镜天线的高增益特性。由于介电常数和磁导率的变换缓慢，这种透镜天线可以很好地实现空气到波导的阻抗匹配，从而有效降低反射和边缘干扰，提高口径效率。同时，通过有效消除光学变换中存在的色散媒质及各向异性媒质，这种透镜天线还具有优良的宽带性能。此外，光学变换还可以自由控制透镜的外形，从而获得小体积易集成的透镜天线或透镜天线阵列，以满足不同系统的具体要求。

作为一种优选的具体方案，所述新型人工电磁材料为在介质板上打有周期性排布的通孔的结构；在所述透镜主体和所述阻抗匹配层中，所述通孔分别以中轴线为中心排布成若干同心圆环；位于同一圆环上的通孔直径相等，位于同一圆环上的相邻通孔间距相等。更为优选的，所述透镜主体和阻抗匹配层的折射率根据新型人工电磁材料的结构参数控制，所述结构参数包括通孔直径、相邻同心圆环间距和位于同一圆环上的相邻通孔间距。

作为另一种优选的具体方案，所述新型人工电磁材料为在介质板上印制有周期性排布的金属谐振单元的结构；在所述透镜主体和所述阻抗匹配层中，所述金属谐振单元分别以中轴线为中心排布成若干同心圆环；位于同一圆环上的金属谐振单元相同，位于同一圆环上的相邻金属谐振单元间距相等；金属结构的材质在微波段对透镜天线的功能影响很小，一般选择价格便宜的金属如铜等。更为优选的，所述透镜主体和所述阻抗匹配层的折射率根据新型人工电磁材料的结构参数控制，所述结构参数包括相邻同心圆环间距、位于同一圆环上的相邻金属谐振单元间距以及金属谐振单元的边长、线宽等参数。

所述介质板优选为聚四氟乙烯材质。