CN115425425B - 一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，包括半压缩龙伯透镜和馈源；其中，半压缩龙伯透镜，包括半椭圆体形状的第一部分和半球体形状的第二部分；第一部分位于第二部分顶部；第一部分的底面，与第二部分的顶面正对应相接；第一部分的长轴长度，等于第二部分的直径；第一部分的半椭圆体形状，是通过将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向龙伯透镜天线的球心方向垂直向下压缩后获得；馈源，位于第一部分的上方，用于辐射指向所述半压缩龙伯透镜的电磁波。本发明通过将馈源放置在与半压缩龙伯透镜相对的一个平面上，然后改变馈源在该平面上的位置来实现大角度的波束扫描功能，具有高增益和大角度波束扫描的特点。

Description

一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线。

背景技术

目前，对于军用雷达系统、成像系统以及通讯系统，为了提高信号的覆盖范围，对波束扫描功能提出来一定的要求。

龙伯透镜于1944年被提出，其透镜上的任意一点可以作为透镜的焦点，因此，通过将馈源放置龙伯透镜的表面，可以实现大角度的波束扫描功能，然而，由于龙伯透镜为球状，焦点为一个球面(即全部焦点位于球面上)，限制了其在许多领域的应用。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，能够解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线。

为此，本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，其，包括半压缩龙伯透镜和馈源；

其中，半压缩龙伯透镜，包括半椭圆体形状的第一部分和半球体形状的第二部分；

第一部分位于第二部分顶部；

第一部分的底面，与第二部分的顶面正对应相接；

第一部分的长轴长度，等于第二部分的直径；

第一部分的半椭圆体形状，是通过将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向龙伯透镜天线的球心方向垂直向下压缩后获得；

馈源，位于第一部分的上方，用于辐射指向所述半压缩龙伯透镜的电磁波。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，其设计科学，通过将馈源放置在与半压缩龙伯透镜相对的一个平面上，然后改变馈源在该平面上的位置来实现大角度的波束扫描功能，具有高增益和大角度波束扫描的特点，具有重大的实践意义。

附图说明

图1a为原始的(即现有的)球体形状的龙伯透镜，在压缩前后的示意图，其中，虚线是球体形状的龙伯透镜中的上半部分在压缩前的形状，实线是龙伯透镜的上半部分在压缩后获得的半椭圆体形状以及没有被压缩的下半部分(半球体形状的第二部分)形状；

图1b为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线中，采用的半压缩龙伯透镜的形状示意图；图1b中的虚线，是第一部分和第二部分的分隔位置，也是接触位置；

图2为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线中，采用的半压缩龙伯透镜的分层结构及各层介电常数分布示意图；

图3a为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，喇叭的立体透视示意图；

图3b为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，喇叭的前视图；

图3c为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，喇叭的仰视图；

图3d为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，喇叭的左视图；

图4为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，喇叭与半压缩龙伯透镜的一种位置关系示意图，即馈电方式示意图；

图5为本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线采用喇叭作为馈源时，半压缩龙伯透镜与喇叭的仿真结果增益图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1a至图5，本发明提供了一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，包括半压缩龙伯透镜100和馈源200；

其中，半压缩龙伯透镜100，包括半椭圆体形状的第一部分101和半球体形状的第二部分102；

第一部分101位于第二部分102顶部；

第一部分101的底面，与第二部分102的顶面正对应相接；

第一部分101的长轴长度，等于第二部分102的直径；

第一部分101的半椭圆体形状，是通过将原始的(即现有的)球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向龙伯透镜天线的球心方向垂直向下压缩后获得；

馈源200，位于第一部分101的上方，用于辐射指向所述半压缩龙伯透镜的电磁波。

在本发明中，具体实现上，第一部分101的半椭圆体形状，是通过将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分(即一半)，向球体的球心方向垂直向下压缩后获得，并且压缩方向垂直于水平面。

在本发明中，需要说明的是，由于原始的球体形状的龙伯透镜具有旋转对称结构，因此仅需使用光学变换计算出其某一个面的介电常数分布，再通过旋转，可得整个龙伯透镜的介电常数分布，以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，建立三维坐标系XYZ，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前(即Y轴是横轴，X轴是纵轴，z轴是竖轴)，本发明中所示平面为该坐标系下的YOZ平面，YOZ面是在该坐标系中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面(即将透镜沿着Y轴切开的剖面)，在本发明中，通过计算YOZ平面下的半压缩龙伯透镜介电常数分布，将该平面绕Z轴旋转，即可得到半压缩龙伯透镜在三维空间下的介电常数分布情况。

在后文中没有谈到X轴的作用，是因为该龙伯透镜是旋转对称的，取YOZ这个二维平面的情况，就能通过旋转得知三维的情况，也就是说YOZ面和YOX面是等效的，这里是取YOZ面来说明问题，YOZ面是一个包含Z轴和Y轴的剖面。

图1a所示为原始的球体形状的龙伯透镜，在压缩前后的示意图，其中虚线是球体形状的龙伯透镜中的上半部分在压缩前的形状，实线是龙伯透镜的上半部分在压缩后获得的半椭圆体形状以及没有被压缩的下半部分(半球体形状的第二部分)形状。

参见图1a，虚线所示原始的球体形状的龙伯透镜直径为D，此时，球体形状的龙伯透镜上的任意一点的介电常数ε与直径D的关系，如下面的公式(1)所示：

其中，D为原始的球体形状的龙伯透镜直径；

y和z，分别为原始的球体形状的龙伯透镜上的任意一点，在YOZ面(即将透镜沿着Y轴切开的面，是一个剖面)上的位置坐标。

YOZ面是在三维坐标系XYZ中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面；

三维坐标系XYZ是以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，所建立的三维坐标系，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前。

具体实现上，将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向球体的球心方向垂直向下压缩后，获得半椭圆体形状的第一部分101；第一部分101上任意一点的介电常数ε的数学表达式，如下面的公式(2)所示：

其中，D为原始的球体形状的龙伯透镜直径；

y和z，分别为第一部分101上的任意一点在YOZ面(即将透镜沿着Y轴切开的面，是一个剖面)上的位置坐标；

YOZ面是在三维坐标系XYZ中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面；

三维坐标系XYZ是以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，所建立的三维坐标系，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前；

b为半椭圆体形状的第一部分101的半短轴值(即短轴长度的一半)，b的取值小于D/2，且b的取值越小，则半压缩龙伯透镜的体积越小，同时需要的介电常数的最大值会变大，因此需要适中的取值，b的取值在0.1-0.4之间较为合适。

需要说明的是，本发明中采用的透镜为半压缩龙伯透镜，因此仅对原始龙伯透镜的上半部分进行光学变换。

图1b为本发明采用的半压缩龙伯透镜在YOZ面(即将透镜沿着Y轴切开的面，是一个剖面)的形状示意图；该YOZ面以Z轴为旋转轴旋转360°，可以得到最终的半压缩龙伯透镜100。

在本发明中，具体实现上，对于本发明的半压缩龙伯透镜100，其上半部分(即第一部分101)上任意一点的介电常数分布需满足公式(2)；下半部分(即第二部分102)上任意一点的介电常数ε，满足原始球体形状的龙伯透镜上任意一点的介电常数ε分布关系，即满足以下的公式(3)：

在公式(3)中，D为原始的球体形状的龙伯透镜的直径；

y和z，分别为第二部分102上的任意一点在YOZ面(即将透镜沿着Y轴切开的面，是一个剖面)上的位置坐标

YOZ面是在三维坐标系XYZ中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面；

三维坐标系XYZ是以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，所建立的三维坐标系，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前。

需要说明的是，对于本发明，利用龙伯透镜具有高增益和大角度扫描的优势，通过变换光学的方法将球状的龙伯透镜进行半压缩(即对球状的龙伯透镜的一半球体进行压缩，将一半球体压缩成半椭圆体形状)，求出龙伯透镜在变换后的介电常数，介电常数通过近似与分层后，设计出半压缩形式的龙伯透镜，满足各领域中对大角度扫描的需求。

在本发明中，具体实现上，馈源200，具体为喇叭馈源。

在本发明中，具体实现上，当馈源200为喇叭馈源时，喇叭馈源的中心轴线与半压缩龙伯透镜100的第二部分102的顶面相垂直；

第二部分102的顶面，与水平面相互平行。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例，说明本发明的技术方案。

在本发明中，对于半压缩龙伯透镜100，由于无法获得连续的介电常数分布，因此需要将其进行分层处理。本专利的分层方式为等厚度分层方式。

由于在实践中无法获取连续的介电常数，因此将其分层处理，如图2所示，半压缩龙伯透镜100的上半部分(即第一部分101)半椭圆体和下半部分(即第二部分102)半球体均划分成5层；

对于半压缩龙伯透镜100的半椭圆体形状的上半部分(即第一部分101)，最内层半椭圆体的半长轴为1mm，半短轴0.5mm，每向外一层，则半椭圆体的半长轴与半短轴各增加1mm和0.5mm，其介电常数由内层至外层分别取3.98、3.82、3.5、3.02和2.38。

对于半压缩龙伯透镜100的半球体形状的下半部分(即第二部分102)，最内层半球体半径为1mm，每向外一层，半球体的半径增加1mm，由内到外每层介电常数分别取1.99、1.91、1.75、1.51和1.19。

参见图3a至图3d所示，本发明的馈源是喇叭，天线采用喇叭进行馈电，喇叭的尺寸如图3a至图3d所示。喇叭口与半椭圆体(即第一部分101)上表面的距离为0.9mm，通过将喇叭沿着Y轴移动(即水平横向移动)，来获得波束扫描功能，喇叭的馈电位置如图4所示，由于波束扫描关于Z轴对称，因此仅给出喇叭口中心位置位于Y大于0时的增益曲线，喇叭中心位置分别放置在Y＝0、1、2、3和4的位置处。喇叭及透镜的增益如图5所示，喇叭的原始增益为12.5dBi，加入半压缩龙伯透镜后，喇叭在加上透镜后形成的整体结构的最大增益增加至22.7dBi，改变喇叭口中心的Y坐标值，喇叭在加上透镜后形成的整体结构的最大扫描角度可以达到60°，且其增益为19.8dBi。

具体实现上，图3a至图3d中，喇叭馈源的相关部部位的尺寸如图所示，单位是mm，例如，喇叭馈源整体的垂直方向高度是5.44mm，其下端的喇叭口部的垂直方向高度为2.72mm。

具体实现上，喇叭馈源的喇叭口与半椭圆体(即第一部分101)上表面的距离为0.9mm，这个是喇叭馈源与本发明的半压缩龙伯透镜的垂直距离，以及是喇叭馈源的喇叭口与半压缩龙伯透镜在Z轴上的距离，这个尺寸是根据最大增益得到的，是通过仿真得到的。

具体实现上，喇叭馈源安装在半椭圆体(即第一部分101)的上方，固定其与半椭圆体(即第一部分101)之间的垂直距离(即Z轴的坐标)，通过改变其水平位置(即Y轴的坐标)后，即可以实现波束扫描的功能。

在图5中，图5中的喇叭曲线代表的是喇叭的增益曲线，Y＝0-4是喇叭和半压缩龙伯透镜的整体增益，其中0-4是指喇叭口中心与半压缩龙伯透镜中心的水平距离(单位为mm，即Y轴方向的距离)，通过这些情况对比后，说明本发明的龙伯透镜具有高增益，可以实现波束扫描的功能。

与现有技术相比较，本发明提供的实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，具有如下有益效果：

本发明基于光学变换，对平面焦距和天线尺寸进行优化，再选取一定尺寸和进行合理的分层后，在220GHz的频段下，透镜增益可以达到22.7dBi，波束扫描角度可以达到±60°。

需要说明的是，平面焦距是指喇叭口所在的平面和半压缩龙伯透镜的距离，即Z轴上的距离(即喇叭馈源的喇叭口与半椭圆体的第一部分101上表面的距离，例如为0.9mm)，平面焦距是指，喇叭仅沿着Y轴移动。通过改变半椭圆体形状的第一部分101的半短轴值b，可以优化喇叭口所在的平面到半压缩透镜的距离。

在本发明中，对天线尺寸优化，具体就是指改变b的值，b为半椭圆体形状的第一部分101的半短轴值(即短轴长度的一半)，b的取值小于D/2，且b的取值越小，则半压缩龙伯透镜的体积越小，同时需要的介电常数的最大值会变大，因此需要适中的取值，b的取值在0.1-0.4之间较为合适。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，其设计科学，通过将馈源放置在与半压缩龙伯透镜相对的一个平面上，然后改变馈源在该平面上的位置来实现大角度的波束扫描功能，具有高增益和大角度波束扫描的特点，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种实现波束扫描的220GHz半压缩龙伯透镜天线，其特征在于，包括半压缩龙伯透镜（100）和馈源（200）；

其中，半压缩龙伯透镜（100），包括半椭圆体形状的第一部分（101）和半球体形状的第二部分（102）；

第一部分（101）位于第二部分（102）顶部；

第一部分（101）的底面，与第二部分（102）的顶面正对应相接；

第一部分（101）的长轴长度，等于第二部分（102）的直径；

第一部分（101）的半椭圆体形状，是通过将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向龙伯透镜天线的球心方向垂直向下压缩后获得；

馈源（200），位于第一部分（101）的上方，用于辐射指向所述半压缩龙伯透镜的电磁波；

第一部分（101）的半椭圆体形状，是通过将原始的球体形状的龙伯透镜天线的上半部分，向球体的球心方向垂直向下压缩后获得，并且压缩方向垂直于水平面；

第一部分（101）上任意一点的介电常数的数学表达式，如下面的公式（2）所示：

，（2）；

其中，D为原始的球体形状的龙伯透镜直径；

y和z，分别为第一部分（101）上的任意一点在YOZ面上的位置坐标；

YOZ面是在三维坐标系XYZ中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面；

三维坐标系XYZ是以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，所建立的三维坐标系，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前；

b为半椭圆体形状的第一部分（101）的半短轴值；

第二部分（102）上任意一点的介电常数，满足以下的公式（1）：

，公式（3）；

其中，D为原始的球体形状的龙伯透镜直径；

y和z，分别为第二部分（102）上的任意一点在YOZ面上的位置坐标；

YOZ面是在三维坐标系XYZ中包含Y轴和Z轴的半压缩龙伯透镜的一个剖面；

三维坐标系XYZ是以原始的球状龙伯透镜中心为原点O，所建立的三维坐标系，其中Z轴垂直朝上，Y轴水平朝右，X轴水平朝前；

馈源（200）为喇叭馈源；

当馈源（200）为喇叭馈源时，喇叭馈源的中心轴线与半压缩龙伯透镜（100）的第二部分（102）的顶面相垂直；

第二部分（102）的顶面，与水平面相互平行。