CN110534917A - 基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线 - Google Patents
基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，主要解决现有龙伯透镜加工成本高，精确度低的问题，以及平面透镜天线增益低及波束扫描效果差的问题。其包括超材料透镜(1)和馈源(2)，且馈源放置在超材料透镜的外表面。该超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，每个晶胞由金刚石结构或木块堆积结构的介质柱(121)组成，相邻晶胞的介质柱相互连接，每个晶胞的介质柱半径不同，以实现所需的等效介电常数。本发明频带宽，增益高，副瓣低，成本低，便于加工制作，能实现360°波束扫描，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽频带低副瓣龙伯透镜天线，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。
背景技术
龙伯透镜是一个球形，其由数层从内到外折射率逐渐减小的材料制成，可以发射和接收电磁波。龙伯透镜天线包括透镜和馈源两部分，其具有宽频带，高增益和多波束的特点，可用作广角扫描天线。
传统的龙伯透镜是通过将其分成有限数量的同心壳来实现的，从中间开始叠加不同厚度的薄层，每个薄层使用具有不同介电常数的均匀材料制造，然后将所有壳组装在一起。通常采用发泡工艺技术和开孔结构技术来实现不同的介电常数，这两种方法制作工艺难度高，成本高，耗时，且精确度不高。
近年来，电磁超材料在电磁领域应用越来越广泛，其作为一种人工材料，即人为制成的周期性排列的单元且具有自然界中材料所不具有的新型性质，可以根据设计过程中的需要做相应的改变和调整，相比传统材料具有很强的灵活性。
国内外已经有许多学者采用超材料单元制备龙伯透镜天线，并取得了理想的效果。公开号CN104282999A东南大学的崔铁军教授团队提出了一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其由15层圆形介质薄层沿径向等间距排列而成，每层上周期分布着“I”型非谐振单元结构，通过调整其臂长尺寸来实现二维龙伯透镜天线所需的折射率分布特点，且设计出的透镜天线在低频时，有效介电常数和磁导率基本不随频率的改变而改变，因此具有较好的宽带特性，且由该结构构成的龙伯透镜具有将球面波在透镜另一侧转变为平面波的特性，但缺点是该透镜天线的增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不是很好。
然而，目前，电磁超材料的研究主要以二维平面结构居多，所以利用电磁超材料设计的龙伯透镜也主要是二维平面结构。由于平面透镜本身的结构和特性限制，存在难以实现高增益，高效率以及广角波束扫描的不足。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，以解决传统方法工艺难度高，成本高，耗时，精确度不高的问题，以及基于超材料的二维龙伯透镜增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不好的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
技术原理
光子晶体是一种由不同介电常数介质材料在空间周期性排列形成的人工电磁介质结构体。当光子晶体的单胞尺寸远小于与其作用的波长时呈现出超材料特性，通过改变单胞结构参数可调控其等效电磁性能，实现人工电磁介质的可控设计。
本发明正是利用光子晶体这种特性通过改变单胞的参数来实现龙伯透镜所需的折射率分布，为设计三维龙伯透镜提供了一种新方法，提高天线的增益和效率，实现多波束扫描。并采用3D打印技术进行复杂的光子晶体结构快速制造，克服传统制造方法存在的问题。
根据上述原理，本发明基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括:
超材料透镜和馈源两部分，馈源放置在超材料透镜的外表面，其特征在于：
超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；
每个光子晶体晶胞采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱，相邻光子晶体晶胞的介质柱相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱半径不同，以实现所需的等效介电常数。
作为优选，所述超材料透镜正中心位置处的光子晶体晶胞其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。
作为优选，所述馈源选择工作在X波段的波导WR-90和工作在Ku波段的波导WR-62，这两个波导同时工作或单独工作，且通过将波导沿着超材料透镜表面移动实现多波束扫描。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.提高了天线性能
对于传统的分层龙伯透镜，由于组装时不可避免层与层之间的空气缝隙，且发泡工艺技术的发泡程度不好掌控，精确度难以保证，这些问题会很大地影响天线的增益及副瓣；对于二维平面龙伯透镜，由于其本身二维超材料单元特性的限制，增益难以达到很高的水平；
本发明中相邻光子晶体晶胞的介质柱相互连接，形成结构一体化设计，不需要考虑层间间隙问题，而且采用3D打印制作，制作精度能够保证，且三维光子晶体能够实现渐变的梯度折射率分布，所以能够实现较高的增益、和较低的副瓣。
2.加工过程简单，成本低。
传统的发泡工艺技术和开孔结构技术，加工工艺繁琐复杂，耗时长，成本高，本发明采用3D打印机制作，制作过程简单，成本低，节约时间。
3.工作频带宽。
本发明采用的金刚石结构和木块堆积结构的光子晶体晶胞，在X波段8GHz～12GHz和Ku波段12GHz～18GHz有稳定的电磁特性，该透镜在X波段和Ku波段都能实现很高的增益，具有宽频带的优点。
4.能实现360°全方位波束扫描特性。
对于二维平面龙伯透镜，由于其本身平面结构的限制，只能实现二维平面波束扫描，而且其电磁超材料单元具有各向异性，对不同方向来波的波束汇聚效果不同；本发明设计的是三维立体球形结构，且光子晶体晶胞采用的金刚石结构介质柱具有高度对称性，能够实现三维空间全方位的波束扫描。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中的光子晶体晶胞示意图；
图3是本发明中的介质柱半径与晶胞等效介电常数的关系示意图；
图4是本发明在X波段8GHz～12GHz频率下的增益变化趋势图；
图5是本发明在Ku波段12GHz～18GHz频率下的增益变化趋势图；
图6是本发明在10GHz频率下的扫描辐射方向图；
图7是本发明在15GHz频率下的扫描辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的结构及效果做进一步详细描述。
参照图1，本实例基于折射率渐变超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括超材料透镜1和馈源2两部分，馈源2放置在超材料透镜1的外表面。该超材料透镜1由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞12构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；
超材料透镜1正中心位置处的光子晶体晶胞12其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞12的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。
每个光子晶体晶胞12采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱121组成，相邻光子晶体晶胞的介质柱121相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱121半径不同，以实现所需的等效介电常数。
本实施例取但不限于按照金刚石结构排列的介质柱，其介质柱121的半径确定如下。
一.确定晶胞的等效介电常数与其介质柱121半径的对应关系：
应用有限元仿真软件ANSYS HFSS v19.0进行参数仿真，仿真模型如图2所示。通过仿真和计算得到预设的不同半径介质柱的光子晶体晶胞的等效介电常数，再通过线性拟合得到晶胞的等效介电常数与其介质柱半径的对应关系。
将介质柱半径预设为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.4mm，分别把预设的不同半径介质柱的光子晶体晶胞12放在波导中，波导上下两个表面设置成PEC边界，左右两表面设置成PMC边界，PEC和PMC边界用于建立周期性结构，从仿真结果中得到不同半径对应的波导端口的反射参数S11和传输参数S21；
根据仿真得到的反射参数和传输参数，利用参数反演算法算出不同半径介质柱的光子晶体晶胞对应的等效介电常数，并对这些晶胞的等效介电常数与其介质柱121半径之间的关系进行线性拟合，得到的两者之间的关系为r＝-0.49314+0.80055*εr。根据该函数可以得出，晶胞的等效介电常数与其介质柱121半径呈正比关系，如图3所示，从图3可见，晶胞所需的等效介电常数越大，构成晶胞的介质柱121半径就越大。
当光子晶体晶胞的等效介电常数为1时，其介质柱的半径约为0.4mm，当光子晶体晶胞的等效介电常数为2时，其介质柱的半径约为1.2mm，可见，通过晶胞的介质柱121的半径在0.4mm～1.2mm之间变化可以实现晶胞的等效介电常数从1到2的渐变。
二.确定各个晶胞的介质柱121的半径：
设每个光子晶体晶胞12的中心坐标为(x,y,z)，x＝a*i，y＝a*j，z＝a*k，其中，
则各晶胞距离球心的距离为d＝sqrt(a2*(x-R/a-1)2+a2*(y-R/a-1)2+a2*(z-R/a-1)2)，则可得出各晶胞的等效介电常数εr＝2-(d/R)2，其介质柱121的半径根据上述拟合的线性函数r＝-0.49314+0.80055*εr可求得。
所述介质柱121选用介电常数εp为2～4介质材料，以保证得到等效介电常数为1～2的光子晶体晶胞12，且介质柱半径不至于太小，便于加工。本实施例取但不限于介质柱的介电常数εp为2.9的光敏树脂材料。
光子晶体晶胞12构成的球体半径R为4cm～12cm，半径越大，辐射效率越高，天线增益越高，本实施例取但不限于R为4cm。
光子晶体晶胞12的晶格常数a根据工作频段确定，其取值为中心频率波长的1/4～1/10，本实施例取但不限于a为5mm。
馈源2选择工作在X波段的波导WR-90和工作在Ku波段的波导WR-62，这两个波导同时工作或单独工作，且通过将波导沿着超材料透镜1表面移动实现多波束扫描。当两个波导同时工作时，同时向波导WR-90和波导WR-62加激励，能够得到两个互不干扰的定向波束。当在X波段工作时，只需要向波导WR-90加激励，可得到一个辐射频率为8GHz～12GHz的定向波束；当在Ku波段工作时，只需要向波导WR-62加激励，可得到一个辐射频率为12GHz～18GHz的定向波束。
本实施例采用但不限于矩形波导作为馈源，要使透镜天线实现高效率，馈源应具有旋转对称的辐射方向图，较低的交叉极化分量以及在较宽频带内有良好的波束等化性等特点。波导和喇叭类型的口径天线能很好地满足这些特点，但其体积重量比较大，加工复杂。微带贴片天线具有灵活的极化方式、制作工艺简单、重量轻等优点，但其方向图旋转对称、等化性以及交叉极化等性能相比前者要差一些。
本实施例中的超材料透镜1是通过3D打印技术来加工制作，制作过程如下：
首先，将超材料透镜模型的CAD文件进行切片处理，即将打印模型分成16μm厚的切片并设计好打印的路径，再将切片的数据逐个发送到3D打印机。打印机接收到每个切片的数据后打印头开始喷射。在喷射时，聚合物立即被打印头上的紫外灯固化，完成一层后，载物台将降低16μm，以将下一层打印在顶部。
以下结合仿真结果对本发明的效果作进一步描述：
仿真1，利用商业仿真软件CST STUDIO SUITE 2018求解本发明在X波段8GHz～12GHz频率下的增益变化趋势图，结果如图4所示。从图4可以看出，该超材料透镜天线在X波段下的增益随着频率的增大而增大，在8GHz频率下增益最小为15.26dB，在12GHz频率下增益为19.27dB。
仿真2，利用商业仿真软CST STUDIO SUITE 2018求解本发明在Ku波段12GHz～18GHz频率下的增益变化趋势图，结果如图5所示。从图5可以看出，该超材料透镜天线在Ku波段下的增益随着频率的增大而增大，在12GHz频率下增益最小为18.24dB，在18GHz频率下增益为22.14dB。
仿真3，利用商业仿真软件CST STUDIO SUITE 2018求解本发明在10GHz频率下的扫描辐射方向图，结果如图6所示。从图6可以看出在该频率下天线最大增益为17.33dB，副瓣电平都在-5dB以下，波导WR-90在超材料透镜表面移动可以实现360°波束扫描。
仿真4，利用商业仿真软件CST STUDIO SUITE 2018求解本发明在15GHz频率下的扫描辐射方向图，结果如图7所示。从图7可以看出在该频率下天线最大增益为20.70dB，副瓣电平都在-5dB以下，波导WR-62在超材料透镜表面移动可以实现360°波束扫描。
从仿真1、2、3、4可以看出，本发明在8GHz～18GHz很宽的频带内能实现较高的增益，较低的副瓣，而且随着频率越大增益越高，波束覆盖范围为360°。
以上描述和实施例仅为本发明的优选实施方式，不构成对本发明的任何限制，应当指出：对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括超材料透镜(1)和馈源(2)两部分，馈源(2)放置在超材料透镜(1)的外表面，其特征在于：
超材料透镜(1)由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；
每个光子晶体晶胞(12)采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱(121)，相邻光子晶体晶胞的介质柱(121)相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱(121)半径不同，以实现所需的等效介电常数。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，超材料透镜(1)正中心位置处的光子晶体晶胞(12)其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞(12)的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，介质柱(121)半径与整个光子晶体晶胞的等效介电常数呈正比关系，即晶胞所需的等效介电常数越大，则构成晶胞的介质柱(121)半径就越大。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，介质柱(121)材料的介电常数εp为2～4。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，光子晶体晶胞(12)的晶格常数a根据工作频段确定，其取值为中心频率波长的1/4～1/10。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，光子晶体晶胞(12)构成的球体半径R为4cm～12cm，半径越大，辐射效率越高，天线增益越高。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，馈源(2)选择工作在X波段的波导WR-90(21)和工作在Ku波段的波导WR-62(22)，这两个波导同时工作或单独工作，且通过将波导沿着超材料透镜(1)表面移动实现多波束扫描。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111555039A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-18 | 电子科技大学 | 基于pcb技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法 |
| CN111555039B (zh) * | 2020-04-02 | 2021-08-17 | 电子科技大学 | 基于pcb技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法 |
| CN112848308A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-28 | 广东曼克维通信科技有限公司 | 柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线 |
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