一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线

摘要

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。

权利要求

1.一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，所述透镜天线包括：透镜阵面和放置在透镜阵面焦点处的馈源天线，所述透镜阵面包括：金属地板和阵列分布于金属地板上的多个透镜天线单元，其特征在于：所述透镜天线单元为矩形板状结构，竖直插于金属地板上，且透镜天线单元的上半部分与下半部分关于金属地板对称；

所述透镜天线单元的上半部分结构包括：介质基板、频率选择表面、偶极子贴片、平行板贴片、短路探针、微带型Marchand巴伦、金属过孔、微带移相线、微带线地板，所述微带型Marchand巴伦包括：正面和背面；

其中介质基板的正面由上至下依次设置：频率选择表面、平行板贴片、短路探针、微带移相线，介质基板的正面还设置有微带型Marchand巴伦正面；相邻透镜天线单元共用平行板贴片和短路探针，故同一透镜天线单元内的平行板贴片和短路探针均包括分别位于介质基板正面左边缘和右边缘的两部分，每部分都包括半个平行板贴片和半个短路探针，另外半个平行板贴片和半个短路探针位于相邻的透镜天线单元内，且短路探针的顶端与平行板贴片连接；微带型Marchand巴伦正面为带开口的“口”字型结构且位于透镜天线单元内的两短路探针之间，微带型Marchand巴伦正面开口处的一端与微带移相线连接；

介质基板的背面由上至下依次设置：频率选择表面、偶极子贴片、微带型Marchand巴伦背面、微带线地板；相邻透镜天线单元共用偶极子贴片，故同一透镜天线单元内的偶极子贴片包括分别位于介质基板背面左边缘和右边缘的两部分，每部分都包括半个偶极子贴片，另外半个偶极子贴片位于相邻的透镜天线单元内；微带型Marchand巴伦背面为带开口的“口”字型，该开口朝上与同一透镜天线单元内的左右两部分偶极子贴片之间的缝隙对应，且微带型Marchand巴伦背面开口的两端分别与同一透镜天线单元内的左右两部分偶极子贴片连接；微带型Marchand巴伦背面的底部与微带线地板连接；

介质基板正面的频率选择表面为介质基板背面的频率选择表面的镜像，位于介质基板正面的平行板贴片与位于介质基板背面的偶极子贴片对应设置；所述金属过孔位于短路探针的底端，穿过介质基板连接短路探针与微带线地板；

透镜天线单元的下半部分结构与上半部分结构完全相同；透镜天线单元上半部分的微带线地板与下半部分的微带线地板为相互连接的一整块微带线地板，透镜天线单元上半部分的微带移相线与下半部分的微带移相线为连接在一起的一根完整微带移相线，该完整微带移相线为方波状；

所述微带线地板与金属地板连接，介质基板的正面不与金属地板接触。

2.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，其特征在于所述完整微带移相线中方波状微带线的每段折线的长度随透镜天线单元在透镜阵面的位置而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差。

3.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，其特征在于所述频率选择表面为由上至下排列的三块矩形条状金属贴片。

4.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，其特征在于所述馈源天线为喇叭天线、超宽带相控阵天线、Vivaldi天线或对数周期天线。

5.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，其特征在于所述阵列分布于金属地板上的多个透镜天线单元中，位于同一排的透镜天线单元共用同一微带线地板。

说明书

一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 因而本发明技术方案为：一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，所述透镜天线包括：透镜阵面和放置在透镜阵面焦点处的馈源天线，所述透镜阵面包括：金属地板和阵列分布于金属地板上的多个透镜天线单元，所述透镜天线单元为矩形板状结构，竖直插于金属地板上，且透镜天线单元的上半部分与下半部分关于金属地板对称；

[0007] 所述透镜天线单元的上半部分结构包括：介质基板、频率选择表面、偶极子贴片、平行板贴片、短路探针、微带型Marchand巴伦、金属过孔、微带移相线、微带线地板，所述微带型Marchand巴伦包括：正面和背面；

[0008] 其中介质基板的正面由上至下依次设置：频率选择表面、平行板贴片、短路探针、微带型Marchand巴伦正面、微带移相线；相邻透镜天线单元共用平行板贴片和短路探针，故同一透镜天线单元内的平行板贴片和短路探针均包括分别位于介质基板正面左边缘和右边缘的两部分，每部分都包括半个平行板贴片和半个短路探针，另外半个平行板贴片和半个短路探针位于相邻的透镜天线单元内，且短路探针的顶端与平行板贴片连接；微带型Marchand巴伦正面为带开口的“口”字型结构且位于透镜天线单元内的两短路探针之间，微带型Marchand巴伦正面开口处的一端与微带移相线连接；

[0009] 介质基板的背面由上至下依次设置：频率选择表面、偶极子贴片、微带型Marchand巴伦背面、微带线地板；相邻透镜天线单元共用偶极子贴片，故同一透镜天线单元内的偶极子贴片包括分别位于介质基板背面左边缘和右边缘的两部分，每部分都包括半个偶极子贴片，另外半个偶极子贴片位于相邻的透镜天线单元内；微带型Marchand巴伦背面为带开口的“口”字型，该开口朝上且与同一透镜天线单元内的左右两部分偶极子贴片之间的缝隙对应，且微带型Marchand巴伦背面开口的两端分别与同一透镜天线单元内的左右两部分偶极子贴片连接；微带型Marchand巴伦背面的底部与微带线地板连接；

[0010] 介质基板正面的频率选择表面为介质基板背面的频率选择表面的镜像，位于介质基板正面的平行板贴片与位于介质基板背面的偶极子贴片对应设置；所述金属过孔位于短路探针的底端，穿过介质基板连接短路探针与微带线地板；

[0011] 透镜天线单元的下半部分结构与上半部分结构完全相同；透镜天线单元上半部分的微带线地板与下半部分的微带线地板为相互连接的一整块微带线地板，透镜天线单元上半部分的微带移相线与下半部分的微带移相线为连接在一起的一根完整微带移相线，该完整微带移相线为方波状；

[0012] 所述微带线地板与金属地板连接，介质基板的正面不与金属地板接触。

[0013] 进一步的，所述完整微带移相线中方波状微带线的每段折线的长度随透镜天线单元在透镜阵面的位置而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差。

[0014] 进一步的，所述频率选择表面为由上至下排列的三块矩形条状金属贴片。

[0015] 进一步的，所述馈源天线为喇叭天线、超宽带相控阵天线、Vivaldi天线或对数周期天线。

[0016] 进一步的，所述阵列分布于金属地板上的多个透镜天线单元中，位于同一排的透镜天线单元共用同一微带线地板。

[0017] 本发明的有益效果是：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。

附图说明

[0018] 图1为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线的频率选择表面结构示意图。

[0019] 图2为喇叭天线示意图。

[0020] 图3为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线中透镜天线单元的结构示意图。

[0021] 图4为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线中透镜天线单元的正面视图。

[0022] 图5为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线中透镜天线单元的背面视图。

[0023] 图6为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线中透镜天线单元在六个典型频率下的传输幅值与传输相位随微带移相线总长度变化的曲线图，六个典型频率为5 GHz，7 GHz，9 GHz，11 GHz，13 GHz和15GHz。

[0024] 图7为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在5GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0025] 图8为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在7GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0026] 图9为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在9GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0027] 图10为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在11GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0028] 图11为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在13GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0029] 图12为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线工作在15GHz时E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。

[0030] 图13为本发明基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线峰值增益随频率变化的曲线图。

[0031] 图中：101为喇叭天线，102为介质基板，103为频率选择表面，104为偶极子贴片，105为平行板贴片，106为短路探针，107为微带型Marchand巴伦，108为金属过孔，109为微带移相线，110为金属地板，111为微带线地板。

具体实施方式

[0032] 本发明技术方式为一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线，所述透镜天线包括：超宽带强耦合透镜阵面和放置在透镜阵面焦点处的馈源天线，如图1所示，所述透镜阵面包括：金属地板和阵列分布于金属地板上的多个透镜天线单元，如图3所示，所述透镜天线单元为矩形板状结构，竖直插于金属地板上，且透镜天线单元的上半部分与下半部分关于金属地板对称；透镜天线单元的上半部分结构包括：介质基板、频率选择表面、偶极子贴片、平行板贴片、短路探针、微带型Marchand巴伦、金属过孔、微带移相线、微带线地板；如图4和图5所示，所述微带型Marchand巴伦包括正面和背面，正面为微带型Marchand巴伦的馈线，背面为微带型Marchand巴伦的地板；所述频率选择表面位于介质基板最上方，印刷在介质基板两面，所述偶极子贴片位于频率选择表面下方，印刷在介质基板背面；所述平行板贴片印刷在介质基板正面；所述短路探针的上端与平行板贴片相连，印刷在介质基板正面；所述微带型Marchand巴伦的地板与偶极子贴片相连，印刷在介质基板背面；所述金属过孔将短路探针下端与微带线地板连通，印刷在介质基板背面；所述金属地板垂直于介质基板放置，且不与介质基板正面接触；透镜天线单元下半部分结构与上半部分结构完全相同；
其中频率选择表面起宽角阻抗匹配层的作用，提供并联电容来部分抵消金属地板加载带来的电感效应，扩展偶极子贴片的工作带宽并增强其扫描性能；平行板贴片用于增强偶极子末端的电容耦合，进一步降低低频的截止频率，拓展天线的工作带宽；短路探针上端与平行板贴片相连，下端通过金属过孔与微带线地板连通，用以将工作频宽内的共模谐振移出高频带之外；微带型Marchand巴伦的地板用来给偶极子贴片馈电；微带移相线将透镜天线单元中上、下两部分的微带型Marchand巴伦的馈线连通，使得电磁能量从接收天线传递到发射天线；微带移相线中方波状折线的长度随透镜天线单元在透镜阵面的位置而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差；金属地板作为接收与发射天线共有的地板，不能与微带移相线相接触，以免出现短路，阻断电磁能量的传输。

[0033] 实施例一：

[0034] 本实施例中透镜天线口径面为正方形，包含21 × 21个透镜天线单元，对应189 × 189 mm2的口径面积，透镜天线的焦距为95mm，并采用如图2所示的喇叭天线作为馈源天线。透镜天线单元尺寸为9 × 9 × 28 mm3，对应于0.48 × 0.48 × 1.493 λ13，其中λ1为16GHz时的自由空间波长；介质基板的厚度为0.254 mm；微带移相线的线宽为0.25mm；金属过孔的直径为0.4mm；金属地板的厚度为1.5mm。

[0035] 实施例一工作频段为4.5   16.2 GHz。如图6所示，为所设计超宽带强耦合透镜天~线单元在六个典型频率下的传输幅值与传输相位随微带移相线总长度变化的曲线图，六个典型频率为5 GHz，7 GHz，9 GHz，11 GHz，13 GHz和15GHz。微带移相线的总长度从13.5   ~
69.5 mm变化。可以明显看到在六个典型频率下，传输损耗都在1.8 dB以内，相比于常用基于频率选择表面的透镜天线单元而言有显著提升。另外，不同频率下的传输相位曲线随微带移相线总长度的改变呈线性变化，展现了该超宽带强耦合透镜天线单元的超宽带移相特性，表明其能更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差。此外，更大的移相范围可以通过增加微带移相线长度获得。

[0036] 图7给出了实施例一中超宽带强耦合透镜天线工作在5GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主波束关于中心对称性较好，副瓣小于-18dB，交叉极化小于-28dB。

[0037] 实施例二：

[0038] 实施例二中超宽带强耦合透镜天线覆盖4   15 GHz的工作频段，包含18 × 18个~2
透镜天线单元，对应180 × 180 mm 的口径面积，透镜天线的焦距为125mm，采用单极化对数周期天线作为馈源天线。透镜天线单元尺寸为10 × 10 × 25 mm3，对应于0.5 × 0.5 × 1.25 λ23，其中λ2为15GHz时的自由空间波长。透镜天线单元的频率选择表面为纵向条带；介质基板的厚度为0.508 mm；微带移相线的线宽为0.6mm；金属过孔的直径为0.6mm；金属地板的厚度为2mm。

[0039] 图8给出了实施例二中超宽带强耦合透镜天线工作在7GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-16dB，交叉极化小于-31dB。

[0040] 图9给出了实施例二中超宽带强耦合透镜天线工作在9GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-35dB。

[0041] 实施例三：

[0042] 实施例三中超宽带强耦合透镜天线工作在10  15 GHz频段，包含有15 × 15个透~镜天线单元，对应540 × 540 mm2的口径面积，透镜天线的焦距为375mm，采用5 × 5的Vivaldi天线阵作为馈源天线；透镜天线单元尺寸为36 × 36 × 80 mm3，对应于0.48 × 
0.48 × 1.067 λ33，其中λ3为15GHz时的自由空间波长。介质基板的厚度为0.508 mm；微带移相线的线宽为0.8mm；金属过孔的直径为1mm；金属地板的厚度为5mm。

[0043] 图10给出了实施例三中超宽带强耦合透镜天线工作在11GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-40dB。

[0044] 图11给出了实施例三中超宽带强耦合透镜天线工作在13GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-40dB。

[0045] 图12给出了实施例三中超宽带强耦合透镜天线工作在15GHz下E面和H面的主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-24dB，交叉极化小于-36dB。

[0046] 实施例四：

[0047] 实施例四中超宽带强耦合透镜阵面规模和单元尺寸与实施例三保持一致，实施例三中用作馈源天线的5 × 5的Vivaldi天线阵替换为8 × 8的平面超宽带强耦合相控阵。

[0048] 图13给出了实施例四中超宽带强耦合透镜天线工作在4.5 16.2 GHz频段内峰值~增益随频率变化的曲线图。

[0049] 综上所述，本发明超宽带强耦合透镜天线单元在超过3个倍频的带宽上都具有很好的传输性能。由透镜天线单元组成的超宽带强耦合透镜阵面，在六个典型频率下都有稳定的辐射方向图，在侧射方向上E面和H面主极化方向图对称性良好，副瓣与交叉极化都较低。此外，峰值增益随频率变化符合口径天线的物理规律。本发明超宽带强耦合透镜天线的性能相比于传统透镜天线有显著提升。