本发明涉及一种透镜天线，特别是一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线。
背景技术：
近几年来，平面透镜天线是微波毫米波领域研究的热点之一。利用其独特的空间馈电、馈源无遮挡以及平面阵列等特性，可以有效地改善天线的性能，降低加工成本。p.j.kahrilas等人将平面透镜天线引入到天线设计的范围内应用其空间馈电的特性，提高天线的辐射效率和天线增益，利用其平面设计特性，使得支撑结构和天线阵列得以简化，降低了加工成本和难度(参见p.j.kahrilas,“hapdar—anoperationalphasedarrayradar,”proc.ieee,vol.56,no.11,pp.1967–1975,nov.1968)。同时，d.t.mcgrath等人对平面透镜天线的基本概念和设计思路、聚焦特性进行了系统的研究，使得平面透镜天线的辐射特性得到了很大的改善(参见d.t.mcgrath,“planarthree-dimensionalconstrainedlenses,”ieeetrans.antennaspropag.,vol.34,no.1,pp.46–50,jan.1986.)。
但是，由于空间馈电技术的引入，使得馈电天线与平面透镜天线阵列之间的距离必须保持一个焦距，以保证天线具有较好的辐射效率。但是，这会极大地增大天线的厚度，导致天线结构体积过大。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，它能在保证天线稳定的辐射特性的前提下，极大地降低天线的剖面和减小体积。
一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，包括馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列和支撑架。馈源喇叭设置于极化扭转反射板的上表面中心，单极化传输阵列设置于极化扭转反射板上方，支撑架分别与馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列固定连接；极化扭转反射板上设置呈圆形排列的若干极化扭转人工磁导体单元，单极化传输阵列上设置呈圆形排列的若干单极化传输阵列单元，极化扭转人工磁导体单元组成的圆形阵列的面积小于单极化传输阵列单元组成的圆形阵列且两圆投影同心。
采用上述天线，每一极化扭转人工磁导体单元包括第一介质基板、金属地板、金属化通孔、正方形金属贴片。相邻极化扭转人工磁导体单元的第一介质基板间紧贴，金属地板印制在第一介质基板的下表面，正方形金属贴片印制在第一介质基板的上表面且相邻极化扭转人工磁导体单元的正方形金属贴片间存在缝隙，金属化通孔位于第一介质基板的内部且两端分别与正方形金属贴片和金属地板相连。
采用上述天线，每一单极化传输阵列单元包括上层加载u型槽的正方形金属贴片、第二介质基板层、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层、第三介质基板层和下层加载u型槽的正方形金属贴片。上层加载u型槽的正方形金属贴片印制在第二介质基板层的上表面，中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层位于第二介质基板层和第三介质基板层之间，下层加载u型槽的正方形金属贴片印制在第三介质基板层的下表面；相邻单极化传输阵列单元的第二介质基板层间紧靠，相邻单极化传输阵列单元的第三介质基板层间紧靠，相邻单极化传输阵列单元的中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层间枝节条带相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，与基于普通平面透镜天线相比，该结构基于射线追踪原理，通过极化扭转反射板和单极化传输阵列，可以改变传播路径上的电磁波的极化，使得传播路径能够实现多次折合，有效地改善来自馈源的电磁波的传播路径，极大地降低了平面透镜天线的高度，透镜天线高度仅为原来的1/3；同时，交叉极化也有很大的提高；(2)本发明提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，仍然保留了传统平面透镜天线的高效率和结构简单等特性，天线的口径效率能够达到46％；(3)本发明提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，采用微波介质板，结构简单，加工容易，重量相对较小，成本较低。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的三维图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为侧视图。
图2为本发明极化扭转人工磁导体单元的俯视图和侧视图，其中图(a)为俯视图，图(b)为侧视图。
图3为本发明单极化传输阵列单元的俯视图和侧视图，其中图(a)为加载u型槽的正方形金属贴片的俯视图，图(b)为加载单面紧凑光子带隙的金属层，图(c)为侧视图。
图4为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的单极化传输阵列单元在在不同长度dy长度情况下，传输系数的幅度和相位随着平率变化的曲线。
图5为基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的单极化传输阵列单元和地板在电磁波不同入射角度情况下，反射系数的幅度及相位随着频率的变化的曲线。
图6为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的极化扭转人工磁导体单元在电磁波不同入射角度情况下，反射系数的幅度和相位随着频率的变化情况。
图7为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的结构示意图。
图8为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线工作在中心频率点时，在e面和h面的主极化和交叉极化方向图，其中图(a)为e面辐射方向图，图(b)为h面辐射方向图。
图9为本发明基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线在工作频带内的天线增益和天线口径效率随着频率变化的曲线。
具体实施方式
结合图1(a)(b)，本发明是一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，包括馈源喇叭1、极化扭转反射板2、单极化传输阵列3和支撑架4，馈源喇叭1安装在极化扭转反射板2的上表面中心，极化扭转反射板2上方设置单极化传输阵列3，支撑架4从底部馈源喇叭1依次延生到极化扭转反射板2和单极化传输阵列3，与馈源喇叭1、极化扭转反射板2、单极化传输阵列3相连接。
极化扭转反射板2、单极化传输阵列3之间的距离应使得天线增益最大化。
结合图1(a)(b)和图2(a)(b)，极化扭转反射板4包括880个呈圆形排列的极化扭转人工磁导体单元5，其中每个极化扭转人工磁导体单元5均包括第一介质基板7、金属地板8、金属化通孔9、正方形金属贴片10，金属化通孔9位于第一介质基板7的内部，并且其上下表面与正方形金属贴片10的金属地板8相连。正方形金属贴片10印制在第一介质基板7的上表面，金属地板8印制在第一介质基板7的下表面；相邻的极化扭转人工磁导体单元5之间存在缝隙。
金属化通孔9设置两个且在正方形金属贴片10上的投影位于正方形金属贴片10的对角线上，使得天线具有极化流转功能。
结合图1(a)(b)和图3(a)(b)(c)，单极化传输阵列4包括660个呈圆形排列的单极化传输阵列单元6，其中每个单极化传输阵列单元6包括上层加载u型槽的正方形金属贴片11、第二介质基板层12、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层13、第三介质基板层14、下层加载u型槽的正方形金属贴片15，上层加载u型槽的正方形金属贴片印制在介质基板ii12的上表面，中间层加载单面紧凑光子带隙(参见b.rahmatiandh.r.hassani,"low-profileslottransmitarrayantenna,"inieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.63,no.1,pp.174-181,jan.2015.)的金属层13位于第二介质基板层12和第三介质基板层14之间，下层加载u型槽的正方形金属贴片15印制在第三介质基板层14的下表面。
极化扭转人工磁导体单元5组成的圆形阵列的面积与单极化传输阵列单元6组成的圆形阵列面积之间的比例大于2：3，且使得天线增益最大化。
所述第一介质基板7、第二介质基板12、第三介质基板14的介电常数εr均为2.2～10.2；第一介质基板7厚度ha为0.1mm～1mm，第二介质基板12第三介质基板14的厚度h为0.1mm～0.8mm其中λ为自由空间波长。
所述正方形金属贴片10的长w为1.5mm～8mmg；金属化通孔9的直径d为0.2mm～0.5mm，其中λg为第一介质基板7的介质有效波长。
所述上层加载u型槽的正方形金属贴片11和下层加载u型槽的正方形金属贴片15的边长wy和wx为3mm～5mm；u型槽的宽度gs为0.1mm～0.5mm；宽度dx和dy为1.2mm～5mm；金属条带的宽度g为0.1mm～0.8mm；中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层13的枝节条带宽度wl为0.1mm～0.5mm；金属贴片宽度wc和lc为1mm～4mm；槽宽gc为0.2mm～1.5mm。
正方形技术贴片10中心到金属化通孔9中心的间距dt为0.3～0.7mm，非金属边缘的宽度g/2为0.1～0.4mm。
结合图1(a)(b)和图3(a)(b)(c)，基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线中单极化传输阵列4中每个单极化传输阵列单元6的上层加载u型槽的正方形金属贴片11和下层加载u型槽的正方形金属贴片15的u型槽的长度dy和dx不完全相同，沿着y轴和x轴排布的每排单元的dy和dx是不一致的，沿着x轴和y轴排布的每排单元的dy和dx是从中间带四周依次渐变的。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例
结合图1、图2和图3可知，该平面透镜天线包括馈源喇叭1、极化扭转反射板2、单极化传输阵列3和支撑架4。极化扭转反射板4包括880个呈圆形排列的极化扭转人工磁导体单元5，其中每个极化扭转人工磁导体单元5均包括第一介质基板7、金属地板8、金属化通孔9。单极化传输阵列4包括660个呈圆形排列的单极化传输阵列单元6，其中每个单极化传输阵列单元6均包括上层加载u型槽的正方形金属贴片11、第二介质基板层12、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层13、第三介质基板层14和下层加载u型槽的正方形金属贴片15。其中第一介质基板7、第二介质基板12第三介质基板14的介电常数εr均为2.2～10.2；第一介质基板7厚度ha为0.508mm，第二介质基板12和第三介质基板14的厚度h均为0.2mm；正方形金属贴片10的长w为2.45mm；金属化通孔9的直径d为0.2mm；正方形技术贴片10中心到金属化通孔[9]中心的间距dt为0.45mm,非金属边缘的宽度g/2为0.25mm，上层加载u型槽的正方形金属贴片11和下层加载u型槽的正方形金属贴片15的边长wy和wx为3.5mm；u型槽的宽度gs为0.2mm；宽度dx和dy为1.5mm；金属条带的宽度g为0.2mm；中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层13的枝节条带宽度wl为0.2mm；金属贴片宽度wc和lc为2.45mm,；槽宽gc为0.33mm。
结合图1和图3，所述平面透镜天线中单极化传输阵列4中每个单极化传输阵列单元6的上层加载u型槽的正方形金属贴片11和下层加载u型槽的正方形金属贴片15的u型槽的长度dy和dx不完全相同，沿着y轴和x轴排布的每排单元的dy和dx是不一致的，沿着x轴和y轴排布的每排单元的dy和dx是从中间带四周是依次从1.3mm到1.7mm渐变的。
结合图4，当平面x极化波垂直入射到单极化传输阵列单元6时，电磁波会被传输通过单极化传输阵列单元6。传输波的传输相位会随着dy变化而连续变化，相位变化范围为100°～-430°，超过了360°，这与普通的传输阵列单元是一致的；传输波的传输幅度随着dy变化而变化，工作频带从22ghz～28ghz变化到28ghz～34ghz。在工作频带内，其传输系数幅度大于-3db。
结合图5，当y极化平面波从不同角度入射到单极化传输阵列单元6时，平面波会被单极化传输阵列单元6反射回来。在26.5ghz～29.5ghz的频率范围内，随着入射角度从0°～30°变化，反射系数大于-0.1db；相对于地板而言，单极化传输阵列单元6的反射系数的相位会发生小于20°的延迟，相位的波动范围小于10°。在这种情况下，单极化传输阵列单元6可以认为是无损耗且同相反射的。
结合图6，当平面波从不同角度入射到极化扭转人工磁导体单元5时，平面波经过极化扭转会被极化扭转人工磁导体5反射回来。随着入射角度从0°增大到30°，反射波的损耗从0.1db增大到0.3db，反射相位随着入射角度的变化也会发生10°的相位波动，这个相位波动很小，对天线的性能影响有限。
结合图7，可以得到，从馈源喇叭1辐射出来的y极化电磁波1会被单极化传输阵列3反射到极化扭转反射板2，y极化的电磁波2经过极化扭转反射板2会发生90°的相位变化，因此转化为x极化的电磁波3，最后得以通过单极化传输阵列3，经过特定的相位变化，辐射到自由空间。在这个过程中，电磁波的传播路径经过多次折合反射，使得天线的剖面得到很大的减小，单极化传输阵列3和极化扭转反射板2之间的距离降低为原来的1/3。
结合图8和图9，在中心频率点时，天线辐射方向图具有很好的对称性，交叉极化小于-30db。由增益曲线可以得到，天线在27.8ghz时获得最大增益，其大小为25.6dbi，在27.4ghz～28.8ghz的范围内，天线增益变化小于1db，天线效率可以达到46％。
由以上可知，本发明的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线能够在很大程度上降低天线的剖面，实现紧凑的天线结构，同时在宽的频带内实现高的辐射效率和低的交叉极化特性。