[发明专利]一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线

说明书

该发明公开了一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，属于雷达技术，无线通信技术领域。本发明将超宽带强耦合相控阵天线单元的基本原理与基于收发结构形式的透镜天线单元相结合，设计了一种超宽带强耦合透镜天线单元。该透镜天线单元能显著增加传统透镜天线单元的工作带宽，实现相位补偿的微带移相线能很好地补偿不同频率下馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位延迟，使得所提出的超宽带强耦合透镜天线的工作带宽相比于传统透镜而言大幅提升。此外，本发明透镜天线还具有结构简单，易装配，轻重量，低成本的优点。

技术领域

本发明属于雷达，无线通信技术领域，具体涉及超宽带强耦合透镜天线。

背景技术

近年来，由于高增益超宽带天线在多功能射频系统，高分辨率雷达，射电天文学和电子战系统等方面的广泛应用前景，使得其在无线通信领域备受关注。多种形式的超宽带相控阵得到了发展，比如平面超宽带模块天线，强耦合相控阵，Vivaldi天线阵等。然而，尽管相控阵天线拥有灵活的波束扫描能力，但对于需要高增益辐射性能的场合而言并不适用，大量的T/R组件会造成整个系统成本的急剧上升。透镜天线作为一种空间馈电的高增益天线，结合了光学透镜的特点和天线阵列综合的理论，具有无馈源遮挡、低剖面、低制造成本、高增益、高辐射效率等优势。其基本原理是将放置在焦点处的馈源所辐射的球面波转换成平面波，聚焦波束以实现高增益，或是优化透镜口径面上的单元幅相分布来实现波束扫描或波束赋形。然而，尽管透镜天线的原理简单且拥有上述诸多优点，但其固有的窄带特性限制了其在超宽带通信领域的应用。造成透镜天线的工作带宽窄的原因主要有两点：一是透镜面上透镜天线单元的工作带宽窄；二是从馈源到透镜口径面上各透镜天线单元的不同空间路径导致的不同空间相位延迟。因此，扩展传统透镜天线的带宽需同时解决好上述两个难题。

一般而言，透镜天线单元的设计方法可以归为三类：多层频率选择表面，基于变换光学的超材料以及基于收发结构形式的单元结构。频率选择表面主要是通过改变各层结构的尺寸来改变传输幅值和传输相位，往往需要多层结构来覆盖至少一个360°的移相范围，并且基于这种频率选择表面的透镜天线单元所实现的带宽有限，难以满足超宽带的需求。超材料是一类具有特殊电导率和磁导率的亚波长结构，其最为典型的一个应用就是由杜克大学D. R. Smith团队所设计的、基于亚波长开口谐振环结构的电磁隐身斗篷，然而，尽管变换光学给人一种全新的操控电磁波的方法，但由于自然界中缺少使其实现的工程材料，使得已有的基于超材料设计的微波和光学器件带宽都较窄。基于收发结构形式的透镜天线单元工作原理比较直观，即一半单元作为接收天线，受到来自馈源天线的球面波的照射，另一半单元作为发射天线，将接收天线收到的能量再度辐射出去，两幅天线之间通过移相结构进行连接，引入特定的相移，实现球面波到平面波的转换。基于这种形式的透镜天线单元带宽受限于收发天线和移相结构的工作带宽，换言之，若收发天线和移相结构都是超宽带，由这种单元组成的透镜阵面才可能是超宽带的。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述导致透镜天线带宽过窄的两个原因，将超宽带强耦合相控阵天线单元应用到基于收发结构形式的透镜天线单元中，提出一种超宽带强耦合透镜天线单元，用以解决透镜天线的窄带缺陷，以此设计了一种超宽带强耦合透镜天线。

为实现上述目的，本发明采用基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，可视为两部分组成：一是放置在焦点处的馈源天线，也可选用其他超宽带天线作为馈源天线，如超宽带相控阵天线，Vivaldi天线，介质棒天线以及对数周期天线等；二是本发明的超宽带强耦合透镜阵面，其中包含有多个超宽带强耦合透镜天线单元，整体结构镜像对称；超宽带强耦合透镜天线单元一半的结构按从上到下的顺序有：用作宽角阻抗匹配的竖直频率选择表面、作为辐射天线的强耦合偶极子贴片、增强偶极子贴片末端电容耦合的平行板贴片、用作偶极子贴片馈电的微带型Marchand巴伦、移除带内共模谐振的短路探针、将短路探针下端与微带型Marchand巴伦地板连通的金属过孔、用来实现移相的微带移相线、微带线地板，从而实现发明目的。