[发明专利]一种产生贝塞尔波束的天线

说明书

本发明属于电磁波束成型领域，提供一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面和馈电喇叭，馈电喇叭正对聚束平面的中心；所述聚束平面为具有聚束功能的双层介质基板结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层、高频介质基板下层、印刷电路中层、高频介质基板上层、印刷电路上层，其中，高频介质基板上层和高频介质基板下层为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均设置金属贴片、且位于网格的中心。本发明结构简单、加工成本低、聚束效率高、有效带宽宽、应用频带高。

技术领域

本发明属于电磁波波束成型领域，特别涉及一种产生贝塞尔波束的天线。

背景技术

贝塞尔波束具有聚束传播的特性，能以无衍射方式传播相当一段距离。电磁波的空间聚束传播有着十分重要的应用，在电磁能无线传输、THz频段空间波导、近场探测雷达、微波医疗器械、高精度微波测量乃至空间太阳能的地-空输能等领域都需要电磁波的空间聚束特性。

贝塞尔波束在光学领域已有广泛而深入的研究，可以通过环缝法、全息成像、球面像差透镜等变换方法产生贝塞尔波束，但这些方法在微波毫米波频段很难实现，且转换效率低；在微波毫米波领域，广泛采用的方法有轴棱锥变换法和天线口面生成法。传统轴棱锥透镜及其变形形式需要至少一个凸透镜先将馈电喇叭的出射波转换为高斯波束，再在高斯波束的束腰处放置轴棱锥或其变形透镜，以实现高斯-贝塞尔波束转换，这种结构不仅透镜笨重，体积大，加工困难成本高，同时对三器件的相对位置，共轴都有较高要求，多层且较厚的介质也引入了较大损耗。天线口面生成法是采用各类天线形式，在天线口径面上使出射场的幅相分布服从贝塞尔函数，从而生成贝塞尔波束；但是，由于电场在波阵面上形成良好的贝塞尔函数分布特性具有较大难度，天线结构普遍复杂，在微波特别是毫米波频段加工困难，精度要求高，带宽窄，效率低，难以广泛应用。因此，设计一种全新的结构简单，效率较高，易于在较高频率上实现的新型贝塞尔波束生成装置具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足之处提供一种产生贝塞尔波束的天线，具有结构简单、加工成本低、聚束效率高、有效带宽宽、应用频带高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面1和馈电喇叭2，馈电喇叭2正对聚束平面1的中心；其特征在于，所述聚束平面1为具有聚束功能的双层介质基板结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层14、高频介质基板下层112、印刷电路中层13、高频介质基板上层111、印刷电路上层12，其中，高频介质基板上层111和高频介质基板下层112为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均设置金属贴片、且位于网格的中心。

进一步的，所述网格与金属贴片形状相对应，为矩形或六边形；所述印刷电路下层14、印刷电路中层13及印刷电路上层12的聚束单元内金属贴片形状相同，且印刷电路下层14、与印刷电路上层12的聚束单元内金属贴片尺寸相同。网格和金属贴片为矩形，则馈电喇叭2在发射水平和垂直极化波时可生成不同景深和波瓣宽度的贝塞尔波束；网格和金属贴片为六边形，则提高了出射场的轴对称性，能够在一定程度上提高贝塞尔波束的生成效率。

所述对馈电喇叭2为线极化角锥喇叭或圆极化圆锥喇叭，增益为10～15dB。将角锥喇叭改为圆锥喇叭，可提高生成贝塞尔波束的轴对称性；将线极化喇叭改为圆极化或椭圆极化喇叭，可生成圆极化或椭圆极化的贝塞尔波束。

从工作原理上讲，通过设置聚束平面上聚束单元内三层金属片的大小，将聚束单元等效为有聚束效应的低通滤波器，在聚束平面的任意位置可实现0度、-90度、-180度、-270度的插入相移，进而在馈电喇叭的照射下，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成贝塞尔波束。