[发明专利]基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源

说明书

技术领域

本发明属于天线及馈源技术领域，涉及一种通过平面介质透镜将H面喇叭产生的柱面波前转换为平面波前并输出的宽频带线源，实现对平板波导CTS天线的馈电。

背景技术

在通信应用领域，具有宽频带、低剖面的高性能天线一直是天线设计者追求的目标。尤其是对星载天线而言，宽频带可以使天线工作在多个频段，实现多功能复用；低剖面可以大幅降低卫星发射成本。因此，提出一种能够运用于宽带通信领域的低成本高性能天线是一项很重要的任务，期望的特性包括：宽频带，低机械轮廓，高效率，重量轻，低副瓣以及低成本、易维护等。CTS(Continue Transverse Stub，连续横向枝节)阵列天线具有重量轻、结构简单、带宽较宽、辐射效率高以及成本低等优点，在卫星通信及各种雷达系统中具有很大的应用潜力。

平板波导CTS天线最早由美国休斯公司(Hughes Aircraft Company)于1990年发明。平板波导CTS天线的主要工作机理是：在平板波导上开连续横向短截线，沿着纵向传播的准TEM模式场被连续的横向截断节所阻断，并在横向的截断节之间感应出位移电流，该位移电流在横向节周围激励起等效的电场，并辐射电磁场。其波束宽度和副瓣电平可通过调整横向节的位置分布进行优化和控制。

用于平板波导CTS天线馈电的线源，一方面对天线的匹配和驻波产生直接的影响；另一方面线源的幅度和相位特性对天线的辐射场增益、副瓣电平具有决定性影响。因此要得到良好的天线整体性能，线源的设计至关重要。

理想的线源须具有如下条件：

(1)线源提供的口径场在宽频带上相位分布同相，幅度具有适当的锥削分布，以满足孔径效率和副瓣电平的要求；

(2)在宽频带上阻抗匹配性能良好；

(3)结构紧凑，且易于加工，成本较低。

能产生理想的幅度锥削分布和严格等相位输出的线源在实际工程中难以实现。现有可工程实现的平板波导CTS天线馈电线源包括离散线源和连续线源两类。其中离散线源是利用一系列离散分布的激励源所产生的辐射场的叠加，在输出口面构造出所需的准等相位场分布来形成线源。如波导口径阵列，即利用等间距依次排列的波导口径阵列辐射叠加形成线源。这种线源结构需要加入宽带功分器，不仅其结构尺寸大，插入损耗变大，而且增大了宽带设计的难度和成本。连续线源是利用某一激励源结合辅助结构在输出口面产生连续不间断的准等相位空间场来形成馈电线源。如由H面喇叭结合抛物柱面或凸介质透镜构成的馈电线源，通过抛物柱面或凸介质透镜，将H面喇叭产生的柱面波变换为平面波并输出。但存在的缺陷是，采用抛物柱面需要较大的空间，不利于线源的小型化设计，且抛物柱面的加工和装配要求也较高；采用凸介质透镜虽然可以使线源整体尺寸较小，且能够满足几何光学要求，但在电磁波经过空气和凸介质透镜分界面时产生的反射比较严重，造成频带阻抗匹配差，且凸透镜的曲面加工要求较高，装配中也要求将透镜焦点与喇叭的相位中心严格对准，这都给该类透镜实际使用带来很大的限制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源，用于解决现有平板波导CTS天线馈电线源无法同时实现小型化、宽频带和良好匹配及加工装配难度大的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源，包括喇叭、透镜和波导，所述喇叭采用H面喇叭1，透镜采用平面介质透镜2，波导采用平板波导3；H面喇叭1的输出端口与平板波导3相连，在平板波导3内设置有平面介质透镜2；所述平面介质透镜2由中间层21和对称于该中间层21的两个匹配层22构成，每个匹配层包括多个匹配子层，其中中间层21和多个匹配子层均采用由多个条带形成的直线阵列结构，中间层21和每个匹配层采用的多个条带的介电常数不同；且各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数按照宽带传输相位要求和透射率控制要求逐步降低，用于在宽频带上各个频点调整电磁波穿过各个条带时的相位延迟，并同步实现高透射率，从而形成等相位输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：