专利名称：一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线的制作方法
技术领域：
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种介质透镜天线，具体来说是一种用于宽频带大容量卫星通信中的基于工业级塑料材料的高性能两层龙伯透镜天线。
背景技术：
随着卫星宽带多媒体业务需求的快速增长，为保证高速卫星通信、宽带数字传输及高清电视直播等业务的高可靠性和高利用率，对地面站天线提出新的要求高增益、宽频带或多频带、灵活的线、圆极化方式且交叉极化分量很低、宽角度范围内多波束且造价较低等。本发明正是基于这样的前提，设计了一种用于Ku/Ka频段卫星通信的高效龙伯透镜天线。传统的卫星和地面站通信天线常常采用抛物面天线，其性能直接关系到整个卫星通信系统的性能指标。由于抛物面天线只有一个焦点，因此一副抛物面天线一般只能对准一颗卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。若要对准多颗卫星同时进行跟踪并进行通信，则一般需要多副抛物面天线并占据相当大的空间。相控阵系统虽可方便地完成上述功能并获得极快的扫描，但其设计过程中各项容差指标要求极为苛刻，其大量的TR组件使得设计和制作成本很高，尤其在毫米波频段，相移网络损耗巨大不容忽视。龙伯透镜天线可很方便地应用于上述场合。龙伯透镜天线是一种球对称的介质透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现多波束扫描，跟踪多个目标，且每个波束增益相同，克服了多波束抛物面天线中馈源偏焦导致的增益损失问题，这在空间卫星通信、无人机侦察截听、微波暗室紧缩场等系统中有着重要的意义；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。尽管龙伯透镜的概念早在上世纪40年代就已提出，但一直以来由于材料技术和制造水平限制了这种天线的应用。国外学者对龙伯透镜天线进行了系统的分析和研究， 提出了一些透镜制作工艺的基本准则和方法，其中最具代表性的是基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于钻孔结构实现较低介电常数等效技术及基于现有高介电常数材料技术等。 美国专利发明者Michael. P. Carpenter等在专利号US 6433936B1公开的题为“Lens of Gradient Dielectric Constant and Methods of Production” 中将热塑性树脂膨胀珠 (聚苯乙烯、聚酰胺等)中掺杂陶瓷材料(二氧化钛、二氧化硅等)填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节泡沫模制品的密度及陶瓷含量来控制每层球壳的介电常数。该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂。日本住友电气工业株式会社在专利 CN 101057370中详细阐述了龙伯介电透镜及其制造方法，通过模内制模方法对泡沫塑料珠料适当发泡，需严格控制珠料粒度大小、各成分所占体积比、烘烤时间和温度等，已确保球层材料方向均勻性和低损耗，使得实际工程批量生产困难较大且成本较高。美国专利发明者 Mrickland 等在专利号 US 6721103B1 公开的题为“Method for fabricating luneburg lenses”提出了一种在有限多个等角度的楔形介质片材料上垂直于楔形表面按一定分布规
3律钻不同大小的柱形孔，沿着楔形径向方向柱形孔的半径及孔的密度逐渐增大，从而实现介电常数渐变，最后将楔形体组合成一个半球龙伯透镜。对于工作于高频段的电大尺寸的介质透镜，将要求更多的楔形介质片(即楔形角度的减小)，以实现介电常数较为准确的渐变，这必然会增加加工成本，且整个半球体龙伯透镜天线的组合固定异常困难，物理牢固性低。美国专利 US 5677796 公开的题为 “Luneberg Lens and Method of Constructing Same”中利用径向尺寸渐变的钻头沿介质球体径向钻锥形孔从而实现渐变介电常数的龙伯透镜天线，锥形孔的定位及加工难度较大，且孔数目较多，需考虑材料球体的形变及机械强度° 2003 年 Sebastien Rondineau 等人在 IEEE Antennas Wieless Propagat. Lett., vol. 2，pp. 163-166,2003 发表的题为"A Sliced Spherical Luneburg Lens，，提出的分层且每层的孔的尺寸大小不同来实现龙伯透镜天线从而避免制作整体的透镜介质，但是天线效率很低，在26. 5GHz，效率只有30%，在32GHz，效率只有15%，而且加工困难，且每层介质薄片组合的牢固性也有待考究。1970年iTomos L. AP Rhys在IEEE Trans. Antennas Propag. ,vol. 18，no. 4，p. 497-506，1970.发表的题为“The Design of RadiallySymmetric Lenses”设计了更为实际的工作于70GHz的小尺寸单层或两层龙伯透镜天线，采用最常见的聚苯乙烯、石英作分层介质，此种设计是基于最传统的几何光学法和分层方法，未涉及对介质损耗的探讨，且透镜的辐射特性也不是最佳。美国专利US 2002/0174685A1公开的题为"Dielectric Lens and Dielectric Lens Manufacturingmethod，，提出了一禾中将不同直径的圆台形介质片积层成半球介质透镜的方法。将熔融状的介质材料注入恒定压强的模具中冷却并凝固成圆台形介质片，依次将介质材料注入模具中前一片介质表面，前一片介质与此片介质熔融到一起，介质分界面采用凸凹槽以增加机械强度。此工艺虽可避免整块半球介质材料较厚，表面和内部材料收缩比不同，均勻性难以控制导致的介电常数不一致，但模具结构复杂，需要的加工组件甚多，加工难度较大。2006年英国^rk大学的John Thornton 在 IEE Proc. -Microw. Antennas Propag. vol. 153, no. 6, pp. 573-578,2006.发表的题为"Wide-scanningMulti-layer HemisphereLens Antenna for Ka Band，，中禾丨J用聚乙烯作外层，Rexolite材料作内核构成两层透镜天线实现了 35dBi高增益，由于其工作频率为^GHz,其实际物理口径尺寸并不大。与之前提及的发明专利和论文相比，本发明采用工业低损耗塑料(介电常数ε r 2 幻精密机加工技术，设计出具有最少分层数目(分层数目为幻、直径为650mm的电大尺寸半球龙伯透镜天线。该发明结构简单，工艺流程稳定可控且实用性强，特别适合于天线重量要求可适当放宽的场合。同时，采用优化设计方法适当设计各分层的几何尺寸以及馈源焦距等参数可实现天线整体的高效率，能较好地应用于大容量、宽频带的卫星和地面站通信，多目标跟踪，电视直播卫星的一线多星通信技术等。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线。采用现有的国内外通用的低损耗工业级塑料材料(ε r :2 幻优化设计两层半球透镜天线。采用矢量球面波函数结合差分进化算法对透镜增益进行优化。本发明采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核优化设计出2层直径650mm的电大尺寸半球龙伯透镜天线。利用现有低损耗工业级塑料材
4料代替传统发泡工艺或钻孔实现较低介电常数等效工艺等方案，可使得天线加工的复杂度大大降低。该龙伯透镜天线适用于移动式卫星地面站、多目标跟踪、电视直播卫星的一线多星通信技术等，它的基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4 弧形双导轨。半球透镜天线由于反射板的镜像，其辐射口径大小与全球透镜天线一样，但纵向尺寸减半，便于安装固定在载体上；高效Ku/Ka馈源用于收发卫星信号，具有圆对称的辐射特性和低交叉极化特性；半球透镜天线口径面的场主要是金属反射板反射场的贡献，很少部分由馈源直接辐射贡献；馈源可以沿着弧形双导轨滑动，使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。本发明最突出的创新在于采用矢量球面波函数结合差分进化算法对Ku/Ka频段天线增益进行联合优化，目标函数
权利要求
1.一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线适用于宽频带大容量卫星通信、多目标跟踪、电视直播卫星的一线多星通信技术等，它的基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。半球龙伯透镜采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核，固定于金属反射板表面。馈源可以沿着弧形双导轨滑动，同时可径向调节焦距使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。
2.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于在同样的透镜口径尺寸条件下采用最少分层数目即能达到传统基于发泡材料的多层龙伯透镜天线的增益，从而大大降低了多层模具制作的难度与成本。同时，分层数目最少(相应空气间隙层数减少)也有利于减小层间空气间隙层对毫米波频段天线性能的影响。
3.根据权利要求1和2所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于采用低损耗且方向均勻性良好的聚四氟乙烯和聚乙烯薄板材料，可避免整块半球介质材料较厚，表面和内部材料收缩比不同且均勻性难以控制导致的介电常数不一致，从而导致天线性能的下降。本发明的天线外层球壳由聚四氟乙烯薄板粘接而成，薄板表面采用钠萘处理剂进行离子化处理以便于粘接；内核由两片聚乙烯材料通过相同材料特性的聚乙烯螺钉连结固定。
4.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于本发明优化设计的分层数目为2的龙伯透镜天线效率达到传统8层龙伯透镜天线的效率，且远高于单层K-透镜天线。
5.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于相比传统发泡工艺，采用工业级塑料精密机加工技术可保证球壳正负公差精密配合，层间空气间隙更小，可避免层间空气间隙所导致的透镜辐射特性的恶化。
6.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于透镜天线的材料种类、板材数目、板材连结方式等可根据工程设计人员的具体需求作适当调整，以满足不同的设计要求。
7.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于馈源在弧形导轨上可径向调节焦距，以满足在Ku/Ka不同频段馈源入射波束对透镜天线不同程度的覆盖，使得接收卫星信号强度最佳，保证实时通信。
8.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于利用现有低损耗工业级塑料材料代替传统发泡工艺或钻孔实现较低介电常数等效工艺等方案，可使得天线加工的复杂度大大降低，且该发明结构简单，工艺流程稳定可控且实用性强，便于实际工程的批量生产。
全文摘要
本发明公开了一种应用于宽频带大容量卫星通信的分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线。该天线基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。半球龙伯透镜采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核，固定于金属反射板表面。馈源可以沿着弧形双导轨滑动，同时可径向调节焦距以满足在Ku/Ka不同频段馈源入射波束对透镜天线不同程度的覆盖，使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。基于本发明的基本结构，合理改变工业级塑料材料种类、板材数目、板材连结方式，即可构成本发明的其它具体实施方案。
文档编号H01Q15/02GK102176545SQ201110004950
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者刘志佳, 朱全江, 杨仕文, 滕静华, 熊伟, 聂在平, 黄明 申请人:电子科技大学