基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线。

背景技术：

人工电磁材料在电磁隐身、微波器件以及平板聚焦等方面有着广阔的应用前景，在天线应用上更是具有很大吸引力，并取得了一系列突出的成果。利用人为调整电磁材料结构尺寸，改变人工电磁材料的介电常数或磁导率，从而实现折射率渐变的人工电磁材料，被称为渐变折射率人工电磁材料(GRIN)。由于设计工作在无谐振频段的渐变折射率人工电磁材料，工作频率远小于谐振频率，电磁参数随频率变化平缓，具有宽频带和低损耗的特点，因而可用于设计宽频带、高增益定向天线。

采用渐变折射率人工电磁材料设计的平板透镜，运用几何光学原理将球面波转换为平面波，克服了传统介质透镜尺寸大、损耗大和不易加工等缺点。然而，前人设计的基于人工电磁材料的渐变折射率透镜天线，透镜厚度均在一个波长附近或大于一个波长，天线存在结构复杂、体积大和损耗大的缺点。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的是现有采用渐变折射率人工电磁材料设计的平板透镜存在结构复杂、体积大和损耗大的问题，提供一种基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线，包括圆极化圆锥喇叭天线和圆极化圆锥喇叭天线的口径内嵌的渐变折射率的透镜；所述渐变折射率的透镜包括1层核心层透镜、2层第一匹配层透镜和2层第二匹配层透镜；1层第二匹配层透镜、1层第一匹配层透镜、1层核心层透镜、1层第一匹配层透镜和1层第二匹配层透镜由外向内依次间隔叠置于圆极化圆锥喇叭天线的口径内，其中2层第一匹配层透镜关于核心层透镜对称设置，2层第二匹配层透镜关于核心层透镜对称设置；每层透镜均由介质板和印制在介质板上下表面的金属贴片层组成；所述金属贴片层由多个正方形金属贴片呈矩阵排列而成，且这些正方形金属贴片的边长由中心向四周逐渐减小。

上述方案中，第一匹配层透镜和核心层透镜之间的距离小于第二匹配层透镜和与其同侧的第一匹配层透镜之间的距离。

上述方案中，位于外层的第二匹配层透镜、位于外层的第一匹配层透镜、位于中间层的核心层透镜、位于内层的第一匹配层透镜和位于内层的第二匹配层透镜的介质板直径逐渐减小。

上述方案中，2层第一匹配层透镜的介质板的厚度和介电常数相同，且2 层第二匹配层透镜的介质板的厚度和介电常数相同。

上述方案中，第二匹配层透镜的介质板的厚度和介电常数分别等于第一匹配层透镜的介质板的厚度和介电常数。

上述方案中，核心层透镜的介质板的厚度小于第一匹配层透镜和第二匹配层透镜的介质板的厚度，核心层透镜的介质板的介电常数大于第一匹配层透镜和第二匹配层透镜的介质板的介电常数。

上述方案中，每层透镜的上表面的金属贴片层和下表面的金属贴片层相对称。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1.本实用新型透镜天线具有结构紧凑的特点。利用高折射率人工电磁材料制作透镜，透镜可以在厚度相同、口径半径相同时离馈源较近，也可以在离馈源距离相同、口径半径相同时减小厚度，并且本实用新型透镜放置在喇叭天线口径以内，在不增加天线尺寸下更加紧凑。

2.本实用新型透镜天线具有宽频带的特点。本实用新型设计的人工电磁材料单元折射率随频率在超宽带范围内变化平缓，并且本实用新型设计了两节四分之一波长阻抗匹配层，保证了透镜天线在紧凑基础上具有宽频带的特点。

3.本实用新型具有圆极化特点。本实用新型设计的人工电磁材料单元在宽带宽入射角内具有极化不敏感性，实现了宽带圆极化天线增益的提高。

4.本实用新型具有结构简单、易于加工和成本低的特点。本实用新型采用高折射率人工电磁材料实现折射率梯度渐变，仅由一系列不同正方形金属贴片边长的人工电磁材料单元排列而成，便于加工，同时在高折射率的基础上仅需设计一层核心层和四层匹配层，不仅实现了结构的简单化，而且降低了透镜的加工成本。

附图说明

图1为基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线的结构示意图。

图2为透镜的金属贴片层的结构示意图。

图中标号：1、核心层透镜；2、第一匹配层透镜；3、第二匹配层透镜； 4、圆极化圆锥喇叭天线；5、介质板；6、金属贴片层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

一种基于高折射率人工电磁材料的渐变折射率透镜天线，由圆极化圆锥喇叭天线4和渐变折射率的透镜组成。所述渐变折射率的透镜内嵌在圆极化圆锥喇叭天线4的口径内，并包括1层核心层透镜1、2层第一匹配层透镜2 和2层第二匹配层透镜3。上述5层透镜即一层第二匹配层透镜3(即位于外层的第二匹配层透镜3、一层第一匹配层透镜2(即位于外层的第一匹配层透镜2)、一层核心层透镜1(即位于中间层的核心层透镜1)、一层第一匹配层透镜2(即位于内层的第一匹配层透镜2)和一层第二匹配层透镜3(即位于内层的第二匹配层透镜3)由外向内依次间隔叠置于圆极化圆锥喇叭天线4 的口径内。每层透镜结构单元及其两侧的空气层构成人工电磁材料单元。喇叭口径内设有供透镜固定的圆形开槽，各层透镜均嵌设在开槽内，且用FR4 介质环压在喇叭天线4内。第一匹配层透镜2与核心层透镜1之间和第二匹配层透镜3与第一匹配层透镜2之间均由尼龙螺钉与尼龙垫片连接固定。

核心层透镜1、第一匹配层透镜2和第二匹配层透镜3与圆极化圆锥喇叭天线4的口径形状一致，均为圆片状。在本实用新型中，由于渐变折射率的透镜设置在圆极化圆锥喇叭天线4的较大开口一侧，圆极化波从圆极化圆锥喇叭天线4的较小开口一侧进入，因此透镜的直径随着往喇叭口径以内深入，其半径逐渐减小，也就是说，位于外层的第二匹配层透镜3、位于外层的第一匹配层透镜2、位于中间层的核心层透镜1、位于内层的第一匹配层透镜2和位于内层的第二匹配层透镜3的介质板5直径逐渐减小。由于透镜折射率分布按照最外层喇叭口径尺寸计算，由于透镜边缘折射率很小(接近1)，由透镜半径的减小所引起的阻抗失配可忽略不计。

为了实现核心层透镜1内外侧阻抗匹配，位于外层的第一匹配层透镜2 和位于内层的第一匹配层透镜2关于核心层透镜1对称设置，即位于外层的第一匹配层透镜2与核心层透镜1之间的距离等于位于内层的第一匹配层透镜2与核心层透镜1之间的距离；同时，位于外层的第二匹配层透镜3和位于内层的第二匹配层透镜3关于核心层透镜1对称设置，即位于外层的第二匹配层透镜3与核心层透镜1之间的距离等于位于内层的第二匹配层透镜3 与核心层透镜1之间的距离。此外，第一匹配层透镜2和核心层透镜1之间的距离小于第二匹配层透镜3和与其同侧的第一匹配层透镜2之间的距离。也就是说，位于外层的第一匹配层透镜2和核心层透镜1之间的距离小于位于外层的第二匹配层透镜3和位于外层的第一匹配层透镜2之间的距离；位于内层的第一匹配层透镜2和核心层透镜1之间的距离小于位于内层的第二匹配层透镜3和位于内层的第一匹配层透镜2之间的距离。第一匹配层透镜 2与核心层透镜1之间和第二匹配层透镜3与第一匹配层透镜2之间可以由空气填充，也可以由泡沫填充。

位于外层的第一匹配层透镜2和位于内层的第一匹配层透镜2的所使用的介质板5的厚度和介电常数相同，位于外层的第二匹配层透镜3和位于内层的第二匹配层透镜3所使用的介质板5的厚度和介电常数相同。第二匹配层透镜3的介质板5的厚度和介电常数分别等于第一匹配层透镜2的介质板 5的厚度和介电常数。核心层透镜1的介质板5的厚度小于第一匹配层透镜2 和第二匹配层透镜3的介质板5的厚度，核心层透镜1的介质板5的介电常数大于第一匹配层透镜2和第二匹配层透镜3的介质板5的介电常数。

参见图2，每层透镜均由介质板5和印制在介质板5上下表面的金属贴片层6组成。所述金属贴片层6由多个正方形金属贴片呈矩阵排列而成，且这些正方形金属贴片的边长由中心向四周逐渐减小，正方形金属贴片边长渐变按照费马原理和四分之一波长阻抗匹配原理计算排列组成。每层透镜的上表面的金属贴片层6和下表面的金属贴片层6相对称。

本实用新型优选仿真案例中：透镜天线中心频率为5.75GHz；透镜直径为183mm，为3.48倍中心波长；透镜总厚度为17.688mm，约为0.34倍中心波长；透镜离喇叭喉部65mm。每层透镜均为双面板，即介质板5的上表面和下表面均设有金属贴片层6。核心层透镜1及其两侧空气厚度为1.544mm。核心层透镜1采用介电常数为3.66，损耗切角0.0037，厚度为0.508mm的 RO4350B介质板5。金属贴片层6的厚度为0.018mm。核心层透镜1两侧空气层厚度均为0.5mm。2个第一匹配层透镜2及其两侧空气厚度为3.036mm。第一匹配层透镜2采用介电常数为2.2，损耗切角0.001，厚度为1mm的F4B 介质板5。金属贴片层6的厚度为0.018mm。第一匹配层透镜2两侧空气层厚度分别为1mm。2个第二匹配层透镜3及其两侧空气层厚度为5.036mm。第二匹配层透镜3采用介电常数为2.2，损耗切角0.001，厚度为1mm的F4B 介质板5。金属贴片层6的厚度为0.018mm。第二匹配层透镜3两侧空气层厚度均为2mm。

本实用新型采用高折射率人工电磁材料单元，并利用了两节四分之一波长阻抗匹配层，设计出的透镜天线在相同天线带宽和增益下，具有紧凑、结构简单和加工成本低的优点；另外，由于本实用新型设计的人工电磁材料单元在宽带宽极化角内具有极化不敏感性，本实用新型设计的透镜天线具有圆极化的特点。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。