专利名称：空气介质柱透镜天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线，尤其涉及一种空气介质柱透镜天线，特别适合于毫米波段应用。
背景技术：
国际上很早就对透镜天线系统开展了一系列的研究，传统的透镜天线一般采用平 面、球面、双曲面、抛物面等几何形状，但是这些方法扫描范围有限，损耗大、工作频带窄，不 能满足现代毫米波系统应用的要求。密歇根大学的Prof. G. Μ. Rebeiz所带领的研究组在 1993年提出了一种特别适合于毫米波段工作的介质透镜天线，这种天线最大的特点是可以 消除毫米波天线的表面波损耗，1997年进一步，提出这种天线可以用于产生多波束扫描，其 馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上。多伦多大学于2001年采用这种介质透镜 天线在八毫米波段实现了 31个圆极化波束的扫描，可以覆盖士23°的锥形扫描范围，圆极 化带宽(3dB轴比)达1GHz。2001年由多伦多大学和密歇根大学共同研制的均勻球透镜天 线，第一次在国际上研制出了工作在77GHz，并能产生覆盖范围宽达180°的多波束扫描。由 于球透镜天线在加工制作、系统固定等方面存在一些实际困难，这时可以采用更为简单的 柱面透镜天线来实现多波束扫描。柱面透镜天线产生的方向图为扇形波束，它在水平面内 可以实现窄波束扫描，而在垂直面内则产生较宽的波束。然而，上述透镜天线应用于卫星导航等空间应用时不可避免的遇到了一些问题。 空间应用要求毫米波多波束天线具有重量轻，机械强度高，温度变化恒定，可工作于极端条 件，例如高冲击强度，极限高低温等场合，这就对制作透镜的介质材料的性能有非常苛刻的 要求。在实际Ka波段卫星通信中，为了实现35dB增益，如果采用传统的介质材料(例如 Rexolite材料，其比重非常接近于水)，经过计算，为了实现多波束扫描天线，其中光所需的 透镜材料的重量就需要50 60公斤，这对卫星的载荷是个非常大的负担
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种空气介质柱透镜天线。一种空气介质柱透镜天线包括金属圆盘形平行板波导、水平极化渐变槽天线、弧 形金属支撑板；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，金属圆盘形平行板波导 的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导的中心腔体构成空气介质柱透镜， 金属圆盘形平行板波导的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆盘形平行板波导的下圆 盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间处设有水平极化渐变槽天线，水平极化渐 变槽天线包括介质基片和金属薄片，介质基片上设有呈喇叭状开口的金属薄片，金属圆盘 形平行板波导的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板，弧形金属支撑板包括弧形金属 块、弧形槽和螺丝孔，在弧形金属块上设有弧形槽和螺丝孔，水平极化渐变槽天线嵌在弧形 金属支撑板中间的弧形槽内。另一种空气介质柱透镜天线包括金属圆盘形平行板波导、弧形金属支撑板、水平 极化渐变槽天线阵列；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，金属圆盘形平行板波导的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导的中心腔体构成空气介质柱 透镜，金属圆盘形平行板波导的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆盘形平行板波导 的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间处设有水平极化渐变槽天线阵列， 水平极化渐变槽天线阵列由排列成弧形的多个水平极化渐变槽天线构成，水平极化渐变槽 天线包括介质基片和金属薄片，介质基片上设有呈喇叭状开口的金属薄片，金属圆盘形平 行板波导的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板，弧形金属支撑板包括弧形金属块、弧 形槽和螺丝孔，在弧形金属块上设有弧形槽和螺丝孔，水平极化渐变槽天线嵌在弧形金属 支撑板中间的弧形槽内。 另一种空气介质柱透镜天线包括金属圆盘形平行板波导、水平极化渐变槽天线、 弧形金属支撑板；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，金属圆盘形平行板波 导的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导的中心腔体构成空气介质柱透 镜，金属圆盘形平行板波导的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆盘形平行板波导的 下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一侧的中间处设有水平极化渐变槽天线， 水平极化渐变槽天线包括介质基片和金属薄片，介质基片上设有呈喇叭状开口的金属薄， 金属圆盘形平行板波导的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板，弧形金属支撑板包括弧 形金属块、弧形槽和螺丝孔，在弧形金属块上设有弧形槽和螺丝孔，水平极化渐变槽天线嵌 在弧形金属支撑板中间的弧形槽内，两圆环形凸台另一侧向外延伸呈喇叭状开口。另一种空气介质柱透镜天线包括金属圆盘形平行板波导、弧形金属支撑板、水平 极化渐变槽天线阵列；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，金属圆盘形平行 板波导的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导的中心腔体构成空气介质柱 透镜，金属圆盘形平行板波导的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆盘形平行板波导 的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一侧的中间处设有水平极化渐变槽天线 阵列，水平极化渐变槽天线阵列由排列成弧形的水平极化渐变槽天线构成，水平极化渐变 槽天线包括介质基片和金属薄片，介质基片上设有呈喇叭状开口的金属薄片，金属圆盘形 平行板波导的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板，弧形金属支撑板包括弧形金属块、 弧形槽和螺丝孔，在弧形金属块上设有弧形槽和螺丝孔，水平极化渐变槽天线嵌在弧形金 属支撑板中间的弧形槽内，两圆环形凸台另一侧向外延伸呈喇叭状开口。所述的介质基片的材料为RT/Dur0id 5880，所述的金属圆盘形平行板波导的中 间填充介质为空气。本发明与现有技术相比，具有的有益效果是口径效率高，旁瓣和后瓣较低，方向 性较好，波束窄，结构紧凑，由于不存在介质损耗，天线辐射效率可以得到有效提高，尤其是 对于大尺寸、高增益的场合，天线辐射效率的提高更是非常显著。另外，由于介质损耗的原 因，适合于毫米波段的介质材料非常有限，所以这种结构非常适合拓展到毫米波高端、亚毫 米波段乃至太赫兹波段应用。其次，由于不需要介质材料，可以有效减轻天线的重量，这种 重量减轻效应在大尺寸、高增益的场合下，愈发显著。再次，天线只需要金属加工，所以加工 精度要求低，实现简单，造价便宜。由于主体结构为全金属结构，因而机械强度高，温度变化 恒定，可应用于极端条件下工作，例如高冲击强度，以及空间应用中的极限高低温场合。
图1是空气介质柱透镜天线I型结构示意图； 图2是图1的一种实施方式的正视剖面图3是图1的另一种实施方式的正视剖面图； 图4是水平极化渐变槽天线结构示意图； 图5是弧形金属支撑板结构示意图； 图6是空气介质柱透镜天线II型结构示意图； 图7是水平极化渐变槽天线阵列的俯视图； 图8是空气介质柱透镜天线III型结构示意图； 图9是图8的一种实施方式的正视剖面图； 图10是图8的另一种实施方式的正视剖面图； 图11空气介质柱透镜天线IV型结构示意图。
具体实施例方式当平 行板波 导的高 度选为
λ /2< h < λ时(其中，λ是自由空间的波长)，就能在平行板之间激励起TEltl模，因此该
天线极化方向为水平极化。利用这个原理，我们可以实现无需任何介质材料的透镜天线。 在同一个工作频率上，不同的平行板波导高度，将会导致不同的传播波数，我们通过选取不 同的平行板波导高度来控制空气介质透镜的相对折射率，同时为了达到最优的天线口径效 率，馈源应该放在其焦点位置。这种空气介质柱透镜的方向图跟传统的柱透镜类似，在E面 (水平面)可以实现窄波束，在H面(俯仰面)则是很宽的波束。同时，由于结构的对称性这种 天线可以用于产生多波束扫描，其馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上。另外通 过改变平行板波导的高度可以模拟实现各种梯度折射率透镜天线，通过选择优化折射率分 布函数，例如龙伯定律函数，可以实现结构紧凑的各种用途的空气透镜天线。类似于传统介 质的柱透镜天线，我们也可以采用简单的射线追踪法来近似估算其最优的馈源位置。如图1所示，空气介质柱透镜天线I型包括金属圆盘形平行板波导1、水平极化渐 变槽天线2、弧形金属支撑板3 ；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，金属圆 盘形平行板波导1的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导1的中心腔体构 成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导1的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆 盘形平行板波导1的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间处设有水平极化 渐变槽天线2，水平极化渐变槽天线2包括介质基片21和金属薄片22，介质基片21上设有 呈喇叭状开口的金属薄片22，水平极化渐变槽天线2的相位中心与空气介质柱透镜的焦点 重合，金属圆盘形平行板波导的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板3，弧形金属支撑板 3包括弧形金属块31、弧形槽32和螺丝孔33，在弧形金属块31上设有弧形槽32和螺丝孔 33，水平极化渐变槽天线2嵌在弧形金属支撑板3中间的弧形槽32内，弧形金属支撑板3 与金属圆盘形平行板波导1的两金属圆盘间用螺丝连接，起支撑作用。如图2所示，所述的金属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈平面。如图3所示，所述的金属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈弧形面。如图4所示，所述的水平极化渐变槽天线2包括介质基片21和金属薄片22，介质基片21上设有呈喇叭状开口的金属薄片22。
如图5所示，所述的弧形金属支撑板3包括弧形金属块31、弧形槽32和螺丝孔 33，在弧形金属块31上设有弧形槽32和螺丝孔33。如图6所示，空气介质柱透镜天线II型包括金属圆盘形平行板波导1、弧形金属支 撑板3、水平极化渐变槽天线阵列4 ；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，金 属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导1的中心腔 体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导1的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金 属圆盘形平行板波导1的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间处设有水平 极化渐变槽天线阵列4，水平极化渐变槽天线阵列4由排列成弧形的多个水平极化渐变槽 天线2构成，水平极化渐变槽天线2包括介质基片21和金属薄片22，介质基片21上设有呈 喇叭状开口的金属薄片22，水平极化渐变槽天线阵列4的相位中心面与空气介质柱透镜的 焦平面重合，用以实现多波束扫描，金属圆盘形平行板波导1的两个金属圆盘边缘设有弧 形金属支撑板3，弧形金属支撑板3包括弧形金属块31、弧形槽32和螺丝孔33，在弧形金属 块31上设有弧形槽32和螺丝孔33，水平极化渐变槽天线2嵌在弧形金属支撑板3中间的 弧形槽32内，弧形金属支撑板3与两金属圆盘间用螺丝连接，起支撑作用。如图7所示，所述的水平极化渐变槽天线阵列4由排列成弧形的多个水平极化渐 变槽天线2构成，用以实现多波束扫描。如图8所示，空气介质柱透镜天线III型包括金属圆盘形平行板波导1、水平极化渐 变槽天线2、弧形金属支撑板3 ；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，金属圆 盘形平行板波导1的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导1的中心腔体构 成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导1的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆 盘形平行板波导1的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一侧的中间处设有水 平极化渐变槽天线2，水平极化渐变槽天线2包括介质基片21和金属薄片22，介质基片21 上设有呈喇叭状开口的金属薄片22，水平极化渐变槽天线2的相位中心与空气介质柱透镜 的焦点重合，金属圆盘形平行板波导1的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板3，弧形金 属支撑板3包括弧形金属块31、弧形槽32和螺丝孔33，在弧形金属块31上设有弧形槽32 和螺丝孔33，水平极化渐变槽天线2嵌在弧形金属支撑板3中间的弧形槽32内，弧形金属 支撑板3与两金属圆盘间用螺丝连接，起支撑作用。两圆环形凸台另一侧向外延伸呈喇叭 状开口 5，用以实现波束压缩，提高天线增益。如图9所示，所述的金属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈平面。如图10所示，所述的金属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈弧形面。如图11所示，空气介质柱透镜天线IV型包括金属圆盘形平行板波导1、弧形金属 支撑板3、水平极化渐变槽天线阵列4 ；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成， 金属圆盘形平行板波导1的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导1的中心 腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导1的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台， 金属圆盘形平行板波导1的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一侧的中间处 设有水平极化渐变槽天线阵列4，水平极化渐变槽天线阵列4由排列成弧形的水平极化渐 变槽天线2构成，水平极化渐变槽天线2包括介质基片21和金属薄片22，介质基片21上 设有呈喇叭状开口的金属薄片22，水平极化渐变槽天线阵列4的相位中心面与空气介质柱透镜的焦平面重合，用以实现多波束扫描，金属圆盘形平行板波导1的两个金属圆盘边缘 设有弧形金属支撑板3，弧形金属支撑板3包括弧形金属块31、弧形槽32和螺丝孔33，在 弧形金属块31上设有弧形槽32和螺丝孔33，水平极化渐变槽天线2嵌在弧形金属支撑板 3中间的弧形槽32内，两圆环形凸台另一侧向外延伸呈喇叭状开口 5，用以实现波束压缩， 提高天线增益。以上四种方式中所述的介质基片21的材料为RT/Duroid 5880，金属圆盘形平行 板波导1的中间填充介质为空气。以上是本发明的具体实施方式
，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开 的方 法以及发明中提到的一些替代方式制作出本空气介质柱透镜天线。本发明由于主体结构为 全金属结构，因而机械强度高，温度变化恒定，可应用于极端条件下工作，例如高冲击强度， 以及空间应用中的极限高低温场合。这种口径效率高、小体积、轻重量的空气介质柱透镜及 其多波束扫描设计在航空航天，卫星通信中有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种空气介质柱透镜天线，其特征在于包括金属圆盘形平行板波导(1)、水平极化 渐变槽天线(2)、弧形金属支撑板(3)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆盘构 成，金属圆盘形平行板波导(1)的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导(1) 的中心腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导(1)的上圆盘边缘下方设有圆环 形凸台，金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间 处设有水平极化渐变槽天线(2)，水平极化渐变槽天线(2)包括介质基片(21)和金属薄片 (22)，介质基片(21)上设有呈喇叭状开口的金属薄片(22)，金属圆盘形平行板波导(1)的 两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板(3)，弧形金属支撑板(3)包括弧形金属块(31)、弧 形槽(32)和螺丝孔(33)，在弧形金属块(31)上设有弧形槽(32)和螺丝孔(33)，水平极化 渐变槽天线(2)嵌在弧形金属支撑板(3)中间的弧形槽(32)内。
2.根据权利要求1所述的部分介质对称填充柱透镜天线，其特征在于所述的介质基片(21)的材料为RT/Duroid5880。
3.一种空气介质柱透镜天线，其特征在于包括金属圆盘形平行板波导(1)、弧形金属 支撑板(3)、水平极化渐变槽天线阵列(4)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆 盘构成，金属圆盘形平行板波导(1)的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导 (1)的中心腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导(1)的上圆盘边缘下方设有圆 环形凸台，金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中 间处设有水平极化渐变槽天线阵列(4)，水平极化渐变槽天线阵列(4)由排列成弧形的多 个水平极化渐变槽天线(2)构成，水平极化渐变槽天线(2)包括介质基片(21)和金属薄片(22)，介质基片(21)上设有呈喇叭状开口的金属薄片(22)，金属圆盘形平行板波导(1)的 两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板(3)，弧形金属支撑板(3)包括弧形金属块(31)、弧 形槽(32)和螺丝孔(33)，在弧形金属块(31)上设有弧形槽(32)和螺丝孔(33)，水平极化 渐变槽天线(2)嵌在弧形金属支撑板(3)中间的弧形槽(32)内。
4.一种空气介质柱透镜天线，其特征在于包括金属圆盘形平行板波导(1)、水平极化 渐变槽天线(2)、弧形金属支撑板(3)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆盘构 成，金属圆盘形平行板波导(1)的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导(1) 的中心腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导(1)的上圆盘边缘下方设有圆环 形凸台，金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一 侧的中间处设有水平极化渐变槽天线(2)，水平极化渐变槽天线(2)包括介质基片(21)和 金属薄片(22)，介质基片(21)上设有呈喇叭状开口的金属薄片(22)，金属圆盘形平行板波 导(1)的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板(3 )，弧形金属支撑板(3 )包括弧形金属块 (31)、弧形槽(32)和螺丝孔(33)，在弧形金属块(31)上设有弧形槽(32)和螺丝孔(33)，水 平极化渐变槽天线(2)嵌在弧形金属支撑板(3)中间的弧形槽(32)内，两圆环形凸台另一 侧向外延伸呈喇叭状开口(5)。
5.一种空气介质柱透镜天线，其特征在于包括金属圆盘形平行板波导(1)、弧形金属 支撑板(3)、水平极化渐变槽天线阵列(4)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆 盘构成，金属圆盘形平行板波导(1)的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导 (1)的中心腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导(1)的上圆盘边缘下方设有圆 环形凸台，金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台一侧的中间处设有水平极化渐变槽天线阵列(4)，水平极化渐变槽天线阵列(4)由排列成弧形的水平极化渐变槽天线(2)构成，水平极化渐变槽天线(2)包括介质基片(21)和金属薄 片(22)，介质基片(21)上设有呈喇叭状开口的金属薄片(22)，金属圆盘形平行板波导(1) 的两个金属圆盘边缘设有弧形金属支撑板(3)，弧形金属支撑板(3)包括弧形金属块(31)、 弧形槽(32)和螺丝孔(33)，在弧形金属块(31)上设有弧形槽(32)和螺丝孔(33)，水平极 化渐变槽天线(2)嵌在弧形金属支撑板(3)中间的弧形槽(32)内，两圆环形凸台另一侧向 外延伸呈喇叭状开口(5)。
全文摘要
本发明公开了一种空气介质柱透镜天线。它包括金属圆盘形平行板波导、馈源天线、弧形金属支撑板；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，金属圆盘形平行板波导的上下内表面呈平面或弧形面，金属圆盘形平行板波导的中心腔体构成空气介质柱透镜，金属圆盘形平行板波导的上圆盘边缘下方设有圆环形凸台，金属圆盘形平行板波导的下圆盘边缘上方设有圆环形凸台，两圆环形凸台中间处设有馈源天线，馈源天线嵌在两个金属圆盘边缘的弧形金属支撑板中间的弧形槽内，弧形金属支撑板与两金属圆盘间用螺丝连接。所述的馈源天线为水平极化渐变槽天线或水平极化渐变槽天线阵列。
文档编号H01Q19/06GK102110893SQ20111002639
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者华昌洲, 吴锡东, 周建华, 周金芳, 朱道虹, 杨楠, 杨龙, 楚恒林 申请人:浙江大学