基于电介质透镜的圆波导天线

摘要

本发明提出了一种基于电介质透镜的圆波导天线，用于解决现有技术中存在的入射波收集不足的技术问题，包括圆波导及其接收端固定的电介质透镜，电介质透镜的上底面位于圆波导接收端一侧，电介质透镜包括圆柱体介质以及以圆柱体介质为中心从里向外依次嵌套的多层圆环柱体介质，形成下底面为球面，上底面为平面，侧面为向内凹陷的圆弧面的圆台体结构，圆柱体介质和圆环柱体介质分别包括上下层叠的多个第一圆柱体介质和第一圆环柱体介质，第一圆柱体介质和第一圆环柱体介质分别由多个第一基础单元和第二基础单元拼接而成。本发明通过改变第一基础单元和第二基础单元内部球形空间的大小实现不同位置的材料参数，能够有效汇聚电磁波，且制造成本低。

权利要求

1.一种基于电介质透镜的圆波导天线，包括圆波导(1)，其特征在于：所述圆波导(1)的接收端固定电介质透镜(2)；所述电介质透镜(2)，包括圆柱体介质(21)，以及以圆柱体介质(21)为中心从里向外依次嵌套的b层圆环柱体介质(22)，b≥2，形成下底面为球面，上底面为平面的圆台体结构，该圆台体结构的侧面是以直角梯形垂直于底边的腰所在的直线为旋转轴，不垂直于底边并向内凹陷为圆弧的腰旋转一周而形成的曲面，其中：所述圆柱体介质(21)，包括上下层叠的d个第一圆柱体介质(211)，d≥3，底层的第一圆柱体介质(211)的下表面为球面；所述第一圆柱体介质(211)由至少三个第一基础单元介质(2111)拼接而成，该第一基础单元介质(2111)是由第一圆柱体介质(211)沿着以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第一基础单元介质(2111)的内部去除球形空间；

所述圆环柱体介质(22)，包括上下层叠的d个第一圆环柱体介质(221)，所述第一圆环柱体介质(221)是由一个实心圆柱在其内部挖空一个同轴的圆柱形成，最底层的第一圆环柱体介质(221)的下表面为球面，其球面曲率与第一圆柱体介质(211)的下表面的球面曲率相等；所述第一圆环柱体介质(221)由至少三个第二基础单元介质(2211)拼接而成，所述第二基础单元介质(2211)是由第一圆环柱体介质(221)以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第二基础单元介质(2211)的内部去除球形空间；

所述电介质透镜(2)的上底面位于所述圆波导(1)的接收端一侧。

2.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：所述第一圆柱体介质(211)，其高度和底面半径均为h1，所述第一圆环柱体介质(221)，其高度和环壁厚度均为h1，h1＝λ/6，其中λ为馈源的入射波波长。

3.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：第一基础单元介质(2111)，其内部去除球形空间的体积满足关系式： 其中εzz表示第一基础单元介质(2111)的等效相对介电常数，ε表示第一基础单元介质(2111)所使用的介质材料的相对介电常数，Vr表示第一基础单元介质(2111)的体积，Vi表示第一基础单元介质3

(2111)内部球形空间的体积，且Vi+Vr≤4/3×(λ/6) ，其中λ为馈源的入射波波长。

4.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：第二基础单元介质(2211)，其内部去除球形空间的体积满足关系式： 其中ε'zz表示第二基础单元介质(2211)的等效相对介电常数，ε'表示第二基础单元介质(2211)所使用的介质材料的相对介电常数，V'r表示第二基础单元介质(2211)的体积，V'i表示第二基础单元介质(2211)内部球形空间的体积，且V'i+V'r≤4/3×(λ/6)3，其中λ为馈源的入射波波长。

5.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：所述圆台体结构，其上底面的半径为r2，满足r2＜λd/6，下底面球面所在的球半径为λd/6，且球面所在球的球心位于圆台体上底面的圆心，其中λ为馈源的入射波波长，d为第一圆柱体介质(211)的个数。

6.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：所述圆台体结构，其侧面向内凹陷的圆弧所在圆的半径为(λd/6-r2)，圆心位于直角梯形上底向外延伸(λd/6-r2)处，其中λ为馈源的入射波波长，d为第一圆柱体介质(211)的个数，r2为直角梯形上底长度。

7.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：所述电介质透镜(2)，通过3D打印方式实现。

8.根据权利要求1所述的基于电介质透镜的圆波导天线，其特征在于：所述圆柱体介质(21)和圆环柱体介质(22)，采用相同的电介质材料。

说明书

基于电介质透镜的圆波导天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，涉及一种圆波导天线，具体涉及一种基于汇聚电磁波的电介质透镜的圆波导天线，可用于无线通信领域。技术背景

[0002] 由于人工电磁材料的快速发展，使得人们可以无拘无束地设计媒质材料的介电常数和磁导率参数，使得本来各向同性的材料改变传统的性能变得各向异性，从而改变一些常规材料的特性，这很大程度上突破使得变换光学理论突破了材料的限制。2006年，英国科学家J.B.Pendry首次提出了坐标变换的理论，即可以通过空间的坐标变换，从而相应地改变材料的介电常数和磁导率参数，进而使得光线或者电磁波能够按照人们所设计的路径传播。

[0003] 基于麦克斯韦方程组的形式不变性提出了变换光学理论。其中涉及了两个空间，一个称之为物理空间；另一个称为虚拟空间。通过在实际空间中填充一些特殊的介质。使得光线或电磁波在实际空间中的传播路线与虚拟空间中的一样。由于Pendry的变换光学理论最核心的思想是坐标变换，从而建立变换前后空间的联系，对于变换空间中的不同点,由于其坐标位置不一样，通过选取相应的变换方程变换后所得到的电磁参数可能也会不同，即按照变换光学方法设计出来的变换媒质，不但是非均匀的，而且是各向异性的，然后再按照麦克斯韦方程组，得到的电场和磁场的传播路径也是不同的，于是坐标变换可以应用于研究各向异性的媒质特性，由于变换光学方法直观简单，能够将原本复杂的电磁场计算问题简化为空间坐标变换问题，为电磁场理论的研究开启了新的思路。

[0004] 开放式波导端口天线具有重量轻，体积小，操作方便，结构简单等优点，在接收系统中得到广泛应用。然而，它的缺点也很明显，较小的接收面积影响了它的效率和入射波的收集。为了提高开放波导端口天线在频率范围内的性能，现有技术采用一种电磁场隙(EBG)结构来提高圆波导天线的增益，实现辐射能量的聚集。

[0005] 例如，李斌在2006年12月《电波科学学报》第21卷第6期，名称为“基于一维EBG结构的圆波导高增益天线”的文章中，公开了一种圆波导高增益天线，该天线将一维EBG介质层结构覆层应用于圆波导口径天线，可以有效地改善天线的辐射特性，实现辐射能量的聚集，由于圆波导口径的大小是固定的，因而采用这种结构实现辐射能量的聚集也是有限的。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于电介质透镜的圆波导天线，用于解决现有技术中存在的入射波收集不足的技术问题。

[0007] 一种基于电介质透镜的圆波导天线，包括圆波导1，所述圆波导1的接收端固定电介质透镜2；所述电介质透镜2，包括圆柱体介质21，以及以圆柱体介质21为中心从里向外依次嵌套的b层圆环柱体介质22，b≥2，形成下底面为球面，上底面为平面的圆台体结构，该圆台体结构的侧面是以直角梯形垂直于底边的腰所在的直线为旋转轴，不垂直于底边并向内凹陷为圆弧的腰旋转一周而形成的曲面，其中：

[0008] 所述圆柱体介质21，包括上下层叠的d个第一圆柱体介质211，d≥3，底层的第一圆柱体介质211的下表面为球面；所述第一圆柱体介质211由至少三个第一基础单元介质2111拼接而成，该第一基础单元介质2111是由第一圆柱体介质211沿着以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第一基础单元介质2111的内部去除球形空间；

[0009] 所述圆环柱体介质22，包括上下层叠的d个第一圆环柱体介质221，所述第一圆环柱体介质221是由一个实心圆柱在其内部挖空一个同轴的圆柱形成，最底层的第一圆环柱体介质221的下表面为球面，其球面曲率与第一圆柱体介质211的下表面的球面曲率相等；所述第一圆环柱体介质221由至少三个第二基础单元介质2211拼接而成，所述第二基础单元介质2211是由第一圆环柱体介质221以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第二基础单元介质2211的内部去除球形空间；

[0010] 所述电介质透镜2的上底面位于所述圆波导1的接收端一侧。

[0011] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述第一圆柱体介质211，其高度和底面半径均为h1，所述第一圆环柱体介质221，其高度和环壁厚度均为h1，h1＝λ/6，其中λ为馈源的入射波波长。

[0012] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述第一基础单元介质2111，其内部去除球形空间的体积满足关系式： 其中εzz表示第一基础单元介质2111的等效相对介电常数，ε表示第一基础单元介质2111所使用的介质材料的相对介电常数，Vr表示第一基础单元介质2111的体积，Vi表示第一基础单元介质2111内部球形空间的体积，且Vi+Vr≤4/3×(λ/6)3，其中λ为馈源的入射波波长。

[0013] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述第二基础单元介质2211，其内部去除球形空间的体积满足关系式： 其中ε'zz表示第二基础单元介质2211的等效相对介电常数，ε'表示第二基础单元介质2211所使用的介质材料的相对介电常数，V'r表示第二基础单元介质2211的体积，V'i表示第二基础单元介质2211内部球形空间的体积，且V'i+V'r≤4/3×(λ/6)3其中λ为馈源的入射波波长。

[0014] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述圆台体结构，其上底面的半径为r2，满足r2＜λd/6，下底面球面所在的球半径为λd/6，且球面所在球的球心位于圆台体上底面的圆心，其中λ为馈源的入射波波长，其中λ为馈源的入射波波长，d为第一圆柱体介质211的个数。

[0015] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述圆台体结构，其侧面向内凹陷的圆弧所在圆的半径为(λd/6-r2)，圆心位于直角梯形上底向外延伸(λd/6-r2)处，其中λ为馈源的入射波波长，d为第一圆柱体介质211的个数，r2为直角梯形上底长度。

[0016] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述圆波导1，其接收端口径所在圆面与所述电介质透镜2的上底面重合。

[0017] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述电介质透镜2，通过3D打印方式实现。

[0018] 上述基于电介质透镜的圆波导天线，所述圆柱体介质21和圆环柱体介质22，采用相同的电介质材料。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0020] 1.本发明由于圆柱体介质以及以圆柱体介质为中心从里向外依次嵌套的多层圆环柱体介质的基础单元内部去除了球形空间，可以实现空间坐标变换和材料参数改变之间的对应关系，达到汇聚电磁波到圆波导口的目的，避免了圆波导由于接收面积狭小而导致入射波收集不足的缺陷，同时由于电介质透镜的下底面采用球面结构，可以实现不同角度入射波电磁波的汇聚，与现有技术相比，有效地提高了圆波导口径接收端的辐射能量。

[0021] 2.本发明由于电介质透镜的圆柱体介质以及圆环柱体介质采用同一种电介质材料，通过改变基础单元内部球形空间的大小，进而改变基础单元中介质体与空气的比例以确定不同的等效介电常数数值，很好地解决了不同介质的材料难以收集的问题，降低了成本,同时本发明中的电介质透镜采用3D打印技术，设计简单，价格低廉，与现有技术相比，降低了工业制造成本。

附图说明

[0022] 图1是本发明整体结构示意图；

[0023] 图2是本发明实施例中电介质透镜的剖切面示意图；

[0024] 图3是本发明实施例中组成电介质透镜的圆柱体介质和圆环柱体介质结构示意图；

[0025] 图4是本发明中组成电介质透镜的第一基础单元和第二基础单元结构示意图；

[0026] 图5是本发明电介质透镜虚拟空间与物理空间的对应关系示意图；

[0027] 图6是本发明电介质透镜的材料特性分布示意图；

[0028] 图7是本发明实施例与圆波导在不同角度的辐射源下的电场分布图；

[0029] 图8是本发明实施例在不同频率的辐射源下的电场分布图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细详述：

[0031] 参照图1，一种基于电介质透镜的圆波导天线，包括圆波导1，所述圆波导1的接收端固定电介质透镜2。

[0032] 参照图2，所述电介质透镜2，包括圆柱体介质21，以及以圆柱体介质21为中心从里向外依次嵌套的,6层圆环柱体介质22，形成下底面为球面，上底面为平面的圆台体结构，该圆台体结构的侧面是以直角梯形垂直于底边的腰所在的直线为旋转轴，不垂直于底边并向内凹陷为圆弧的腰旋转一周而形成的曲面，其中：所述圆柱体介质21，其结构如图3(a)所示，包括上下层叠的10个第一圆柱体介质211，底层的第一圆柱体介质211的下表面为球面；所述第一圆柱体介质211，其结构如图4(a)所示，由8个第一基础单元介质2111拼接而成，该第一基础单元介质2111是由第一圆柱体介质211沿着以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第一基础单元介质2111的内部去除球形空间；

[0033] 所述圆环柱体介质22，其结构如图3(b)所示，包括上下层叠的10个第一圆环柱体介质221，所述第一圆环柱体介质221是由一个实心圆柱在其内部挖空一个同轴的圆柱形成，最底层的第一圆环柱体介质221的下表面为球面，其球面曲率与第一圆柱体介质211的下表面的球面曲率相等；

[0034] 所述第一圆环柱体介质221，其结构如图4(b)所示，由至少12个第二基础单元介质2211拼接而成，所述第二基础单元介质2211是由第一圆环柱体介质221以其中心轴所在直线为边界的平面等分切割形成，每个第二基础单元介质2211的内部去除球形空间；

[0035] 所述电介质透镜2的上底面位于所述圆波导1的接收端一侧。

[0036] 所述第一圆柱体介质211，其高度和底面半径均为5mm，所述第一圆环柱体介质221，其高度和环壁厚度均为5mm。

[0037] 第一基础单元介质2111，其内部去除球形空间的体积满足关系式：其中εzz表示第一基础单元2111的等效相对介电常数，Vr表示第一基础单元介质2111的体积，Vi表示第一基础单元2111内部球形空间的体积，且Vi+Vr≤166.67mm3。

[0038] 第二基础单元介质2211内部去除球形空间的体积满足关系式：其中ε'zz表示第二基础单元介质2211的等效相对介电常数，V'r表示第二基础单元介质2211的体积，V'i表示第二基础单元介质2211内部球形空间的体积，且V'i+V'r≤166.67mm3。

[0039] 所述圆台体结构，其上底面的半径为10mm；所述圆台体结构，其下底面球面所在的球半径为50mm，该球的球心位于圆台上底面的圆心。

[0040] 所述圆台体结构，其侧面向内凹陷的圆弧所在圆的半径为40mm，圆心位于直角梯形上底向外延伸40mm处。

[0041] 所述圆波导1，其接收端口径所在圆面与所述电介质透镜2的上底面重合。

[0042] 本发明基于变换光学理论的设计，确定电介质透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换，其变换关系如图5所示。左侧为虚拟空间，右侧网格区域为物理空间。物理空间为设计的轴对称电介质透镜的一个切面。从图中所在的二维平面上来讲，这个空间变换是建立在将左侧虚拟空间压缩至右侧物理空间得来的。

[0043] 在两个空间中，虚拟空间中的边界BC对应物理空间中的蓝色边界B’C’,虚拟空间中的边界CD对应物理空间中的弧线C’D’,相应的，AB边被水平压缩至A’B’,AD边保持不变。

[0044] 任意两个空间之间，只要按照某种规则建立起相应的映射关系，就可以利用物理空间中材料特性的变化来模拟虚拟空间中的电磁特性。材料的电磁特性参数关系式可以表达成：

[0045]

[0046]

[0047] 其中，εci'j'表示变换后的介电常数；μci'j'变换后的磁导率；μcij表示变换前的介电常数；εcij变化后的介电常数。A是雅可比变换张量，其表征虚拟空间和物理空间之间的几何变化。矩阵A可以从映射点到坐标变换公式定义的点获得。A也可以通过指定适当的边界条件从两个域之间的映射获得。

[0048] 变换后，物理空间中的物质已经不再是空气，而是被映射中所设计的随空间变化，但保持各向同性的新的变换物质所填充。通过计算，可以得到物理空间中物质的材料特性分布，如图6所示。

[0049] 为了实现本项目所设计的材料特性参数，需要利用工程的方法设计得出具有这些特性的等效电介质材料。因此使用仿真软件，利用混合材料理论设计几种可以得到这些参数的电介质单元：采用在立方块内去除球形空间的形式得到这些单元。本发明实例中馈源的频率取10GHZ,波长λ＝30mm，立方块的高度约为5mm。在设计好单元结构以后，将每个坐标位置对应的材料参数转化成不同尺寸的单元结构，并将他们按一定顺序排列起来，这样就形成了这个电介质透镜的三维模型。

[0050] 以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：

[0051] 1.仿真条件和内容：

[0052] 利用商业仿真软件HFSS_15.0，在本发明上方设置辐射源，对不同频率的不同角度的电磁波的汇聚进行仿真计算。

[0053] 仿真1，在电磁波工作频率为10GHZ情况下，电磁波入射角度为0°、20°、50°、70°时分别对本发明实施例和圆波导的电磁波的汇聚进行仿真计算，其电场的分布如图7所示。其中图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)分别为电磁波入射角度为0°、20°、50°、70°，本发明实施例的电场分布图；其中图7(e)、图7(f)、图7(g)、图7(h)分别为电磁波入射角度为0°、20°、50°、70°，圆波导的电场分布图。

[0054] 仿真2，在电磁波入射角度为20°情况下，电磁波的频率为7GHZ、9GHZ、10GHZ、11GHZ、13GHZ时对电介质透镜的电磁波的汇聚进行仿真计算，其电场的分布如图8所示。其中图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)分别为电磁波频率为7GHZ、9GHZ、10GHZ、11GHZ、
13GHZ，本发明实施例的电场分布图。

[0055] 2.仿真结果分析：

[0056] 仿真结果表明，本发明实例中的电介质透镜能够有效地将辐射在电介质透镜上方的电磁场耦合汇聚，使输出端的电磁场能量相比不使用电介质透镜的情况有较大程度改善；参照图7，当不同角度的电磁波辐射在电介质透镜表面时，电介质透镜能将电磁场有效聚拢耦合；参照图8，当不同频率的电磁波辐射在电介质透镜表面时，电介质透镜也能将电磁场有效聚拢耦合；电介质透镜会引入部分反射，但总体输入输出能量远小于不使用电介质透镜的情况。

[0057] 以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，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。