[发明专利]基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线

说明书

本发明公开了一种用于多波束定向通信及波束扫描的基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线。它的基本结构包括1×8方形微带贴片馈源阵列、分层变形半球介质透镜以及天线支撑固件。该变形透镜天线是利用射线光学的方法，设计出变形透镜的内外两层介质，配合阵列馈电的形式，有效解决了传统半球透镜扫描角度较小，EIRP较低的缺点，有助于变形半球透镜天线更好的应用于远距离多波束定向通信和波束扫描、低剖面的使用场景和相应的市场需求。利用当今成熟的3D打印工艺可方便加工出变形透镜及天线支撑固件，解决了透镜天线普遍存在的工程实现难题。基于本发明的基本结构，合理改变填充介质尺寸和变形、馈源形式，即可构成本发明的其它具体实施方案。

本发明属于天线技术领域，涉及到变形介质透镜天线，具体来说是用于多波束定向通信及波束快速电扫描的基于阵列馈电形式的变形半球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、低剖面和宽角度波束扫描的使用场景。

背景技术

由于船舶导航、卫星通信、电子对抗及目标追踪等领域对多波束天线的迫切需求，具有高增益、窄波束、宽扫描角、高速扫描以及制造成本低等特点的多波束天线被重点关注。近年来，为了满足更大的覆盖范围，更远的通信距离，天线系统必须具备高增益、高EIRP特性和较宽的波束覆盖。本发明正是基于上述需求，设计了基于阵列馈电形式的变形半球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、低剖面和宽角度波束的使用场景。

传统的多波束天线多采用相控阵的形式，天线性能较为稳定，波束扫描控制很方便，但是传统的相控阵天线需要较为庞大复杂的馈电网络，需要大量的T/R组件，使其成本过高，造成性价比不高。多波束反射面天线组成结构简单，但是其口径较大，抗风抗雨性能差、波束覆盖范围有自己局限性，同时馈源对天线存在遮挡，降低了天线的效率。此外反射面天线的波束扫描多采用机械方式，由于反射面的体积较大，重量较重，这就使的波束扫描的速度也较慢，整体结构笨重。光学成像和聚焦领域的透镜将不同形式发散的能量转变成平面波这一特性则极大地丰富了多波束天线的设计，透镜天线的低成本、宽频带、宽角范围内多波束扫描且馈网简单等特性，倍受人们的青睐。

龙伯透镜天线是一种具有旋转对称结构的介质透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。透镜主体多由防潮抗酸耐腐蚀低成本的介质材料构成，对周围环境的适应力强；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。然而传统的龙伯透镜天线均是通过切换馈源波束进行大角度扫描，即同一时刻仅有一个馈源工作，因此整个天线系统的EIRP相比同样增益的阵列天线而言，受到了严重限制。再者，一般的高增益多波束球透镜天线都具有较大的体积及剖面，给实际工程应用中的集成化造成不便，应用场景得到了相应限制。例如2002年BernhardSchoenlinner等人在IEEE transactions on microwave theory and techniques,vol.50,no.9中发表的题为“Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for AutomotiveRadars”的文章中，采用射线光学的方法设计了一个高增益且±90°覆盖的球透镜天线，但是该天线相对其工作频段而言显得体积庞大不够紧凑，并且其采取波束切换实现扫描的方式也使得天线的EIRP无法和普通有源阵列天线相比拟。