[发明专利]一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术，具体涉及一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线。

背景技术

相控阵天线通过调整天线单元的相位差能够在其扫描角度范围内控制电磁波的波束主射方向，最早应用于探测雷达中，近年来也被广泛应用于卫星通讯领域。传统的相控阵天线在大角度扫描时，由于相控阵天线等效口面的面积变小，天线的方向性和增益都下降严重。

近年来，国内外的许多学者采用超材料覆盖的方法来扩大相控阵天线的波束扫描范围，进而提高天线的增益，但这种方法增加了设计的难度，提高了制作的成本。

目前介质平板透镜能够被用来提高天线的增益，但现有加载介质平板透镜的天线是针对电磁波垂直入射介质平板透镜的单元天线，并且在加载介质平板透镜之后天线的半功率角下降严重，因此无法用这种单元天线组成相控阵进行大角度的扫描。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，能够在Ka波段实现较宽的扫描角度，减少增益衰减，加工成本低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括介质基板以及并列排布在介质基板上的多个天线单元，介质基板的上表面刻蚀有四个铜制成的单元贴片天线，且介质基板的下表面覆铜；

所述介质基板的正上方设置有能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜；介质平板透镜的反射系数γ与透射系数τ分别为：

γ＝Γe^jψ，τ＝Te^jφ

由天线单元发射电磁波入射至介质平板透镜经各级反射得到总反射系数：

根据能量守恒原理得：

T²+Γ²＝1

根据电场的表达式：

其中θ_n由下式确定：

f(α)是单元天线的方向函数，由于Г小于1，得：

故，电场强度的大小为：

介质平板透镜的厚度d为四分之波长，在不计损耗的情况下，计算得到的天线增益为：

考虑到介质透镜反射系数的幅度和相位都是入射角的函数，假设令入射角为10°时，天线增益取得最大值，那么由下式可以推出介质基板与介质平板透镜的间距h：

最后通过仿真优化可得到对计算得到的参数值进行进一步的优化得到介质基板与介质平板透镜的间距h以及介质平板透镜的大小的最优值；

上式中：

γ——总反射系数；γ₀——第0序列波的反射系数；γ₁——第一序列波的反射系数；γ₂——第二序列波的反射系数；Г——总反射系数的模值；φ——反射系数的相位；τ——总透射系数；T——总透射系数的模值；ψ——透射系数的相位；Г₁——由空气入射到介质中的反射系数模值；T₁——由空气入射到介质中的透射系数模值；Г₂——由介质入射到空气中的反射系数模值；T₂——由介质入射到空气中的透射系数模值；β₁——空气中的传播常数；β₂——介质中的传播常数；θ_i——入射角；θ_t——折射角；θ_n——多次折射后的相位角；c——光速；f——中心频率；h——天线与介质平板透镜之间的距离；E——电场；α——入射角；f(α)——单元天线的方向函数；E₀——假设的用来衡量电场值的一个常数。

所述的介质基板上并列排布有4个相同的天线单元，相邻天线单元中心之间的距离均为6mm；天线单元均采用长度为3.7mm、宽度为3.35mm的矩形微带贴片天线。

所述的介质基板由介电常数为2.55的Neltec NY9225材料制成。

所述介质基板的长度为50mm、宽度为21mm、厚度为0.5mm。

所述的介质平板透镜由介电常数3.55的Rogers RO4003材料制成。

所述的介质平板透镜长度为46mm、宽度为19mm、厚度为1.5mm。

所述的介质基板与介质平板透镜之间的间距h为6.8mm。