一种龙伯透镜天线及处理电磁波的方法与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种龙伯透镜天线及处理电磁波的方法。

背景技术：

龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波集中至焦点的透镜天线，由于其具有工作频带宽，在大扫描角范围内波束特性变化小等优点，被广泛应用于卫星通信、雷达、电子对抗等领域。

理想的龙伯透镜介质材料的相对介电常数从最外层到中心由1连续变为2，但现实中并没有满足要求的介质材料，因此都是通过分层拟合进行工程设计和加工。理论上龙伯透镜层数越多，介电常数变化曲线越平滑，透镜天线越接近理想状态，因此若需要获得越高增益的龙伯透镜天线，就需要对龙伯透镜增加越多的层数，但在实际加工过程中层与层之间不可避免地会混入空气，反而导致天线的性能降低；并且由于高增益的天线剖面较大(层数较多)，所以很难在剖面要求严格的平台被应用。因此，现有技术中缺少一种能够同时兼顾高增益、低剖面性能的龙伯透镜天线。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种龙伯透镜天线及处理电磁波的方法，用于解决现有技术中缺少一种能够同时兼顾高增益、低剖面性能的龙伯透镜天线的问题。

本发明实施例第一方面提供一种龙伯透镜天线，包括：

至少两个龙伯透镜，所述至少两个龙伯透镜中的每个龙伯透镜上均设置有至少一个馈源；

功率分配器，设置于所述至少两个龙伯透镜的后端，通过波导管与所述至少两个龙伯透镜上的每个馈源相连接；

其中，电磁波入射所述至少两个龙伯透镜中的任一龙伯透镜后，经由所述龙伯透镜折射汇聚于所述龙伯透镜的所述至少一个馈源，并从所述至少一个馈源发送至所述功率分配器，所述功率分配器用于将从不同馈源接收的电磁波进行合成。

在上述方案中，采用多个龙伯透镜与一个功率分配器共同作用，能够使得最终获得的电磁波增益加倍，并且每个龙伯透镜的剖面相较于单个龙伯透镜制作的天线的龙伯透镜的剖面要低。因此，本发明实施例所提供的龙伯透镜天线能够同时兼顾天线的高增益和低剖面性能。并且，由于每个龙伯透镜的剖面更低(即层数更少)，所以在制作工艺上也更加简单，节约了天线的加工成本。

可选的，在所述天线用于向环境空间发送电磁波时，所述功率分配器还用于：将需输出的电磁波分为至少两路，通过所述波导管将所述至少两路电磁波中的每一路电磁波传输至一个所述馈源；所述龙伯透镜还用于：接收从馈源输出的电磁波，并将所述电磁波进行折射后发送至环境空间。通过本方式，使得天线在用于接收电磁波的同时，还能够用于向空间发送电磁波，进一步提升了天线的性能，节约了成本。

可选的，所述至少两个龙伯透镜包括：至少一个完全球体龙伯透镜，和/或至少一个半球体龙伯透镜。通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，所述功率分配器具有n个输入端口和一个输出端口，所述n个输入端口用于接收从n个不同馈源发送的电磁波，所述输出端口用于输出所述功率分配器合成的电磁波；所述功率分配器合成的电磁波被可以表示为：其中，an为所述功率分配器第n个输入端口输入的电磁波，snn为所述功率分配器第n个输入端口的反射参数，snm为所述功率分配器第n个输入端口对第m个输入端口的传输参数，m不等于n。通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，当所述至少两个龙伯透镜包括有至少两个半球体龙伯透镜时，所述至少两个半球体龙伯透镜的导电平面共面。通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，所述至少两个半球体龙伯透镜的球心在一条直线上。通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，所述龙伯透镜的介质材料的相对介电常数为：εr(ri)＝2-(ri/r)²；其中，εr(ri)为所述龙伯透镜第i层介质材料的相对介电常数，ri为所述龙伯透镜第i层到所述龙伯透镜球心的距离，r为所述龙伯透镜的半径。通过本方式，能够进一步增大天线的增益。

可选的，所述至少两个龙伯透镜中的每一个龙伯透镜上均设置有至少两个馈源；所述龙伯透镜用于：将不同波段的电磁波分别汇聚于所述龙伯透镜的不同馈源上，并由所述龙伯透镜的不同馈源分别发送至所述功率分配器。通过本方式，能够使得功率分配器同时对多个龙伯透镜发送的不同波段的电磁波分别进行合成处理，进一步增大了天线的增益，降低了天线的剖面，节约了成本。

本发明实施例第二方面提供一种处理电磁波的方法，该方法应用于一龙伯透镜天线，所述龙伯透镜天线包括功率分配器、波导管以及至少两个龙伯透镜，所述至少两个龙伯透镜中的每个龙伯透镜上均设置有至少一个馈源，所述功率分配器通过所述波导管与每个所述馈源相连，所述方法包括：通过所述至少两个龙伯透镜中的每个龙伯透镜将入射电磁波进行折射并汇聚于所述龙伯透镜的至少一个馈源,并将汇聚的电磁波从所述至少一个馈源发送至所述功率分配器；通过所述功率分配器将从不同馈源接收的电磁波进行合成并输出。

可选的，所述方法还包括：通过所述功率分配器将需输出的电磁波分为至少两路；通过所述波导管将所述至少两路电磁波中的每一路电磁波传输至一个所述馈源；通过所述龙伯透镜将所述馈源接收的电磁波进行折射并出射至环境空间。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例采用多个龙伯透镜与一个功率分配器共同作用，使得最终获得的电磁波增益加倍，并且每个龙伯透镜的剖面相较于单个龙伯透镜制作的天线的龙伯透镜的剖面要低。因此，本发明实施例所提供的龙伯透镜天线能够同时兼顾天线的高增益和低剖面性能。并且，由于每个龙伯透镜的剖面更低(即层数更少)，所以在制作工艺上也更加简单，节约了天线的加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中龙伯透镜天线的结构示意图；

图2为本发明实施例中透镜阵列的结构示意图；

图3为本发明实施例中龙伯透镜天线的结构示意图；

图4为本发明实施例中龙伯透镜天线的结构示意图；

图5为本发明实施例中一种处理电磁波的方法；

图6为本发明实施例中一种处理电磁波的方法。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例一提供一种龙伯透镜天线，其应用场景包括但不限于：天线的接收系统、天线的发送系统。参考图1，所述龙伯透镜天线包括：至少两个龙伯透镜形成的透镜阵列10、功率分配器30、波导管50。其中，每个龙伯透镜上均设有馈源20，功率分配器30设置于透镜阵列10的后端，功率分配器30通过波导管50与每个馈源20相连接，波导管50在图1中以黑实线表示。

透镜阵列10具体用于：将空间电磁波经由透镜阵列10中的每个龙伯透镜折射并汇聚于馈源20上，形成多路电磁波。

其中，透镜阵列10中的任意两个龙伯透镜的大小可以相同，也可以不同，本发明实施例不做具体限制。透镜阵列10包含的龙伯透镜的形状可以为完全球体龙伯透镜，也可以为半球体龙伯透镜，本发明实施例不做具体限制。透镜阵列10中的任意两个龙伯透镜的形状可以相同，也可以不同，本发明实施例不做具体限制。例如，透镜阵列10中的每个龙伯透镜均为完全球体龙伯透镜；又例如，透镜阵列10中的每个龙伯透镜均为半球体龙伯透镜；再例如，透镜阵列10既包括有半球体龙伯透镜，又包括有完全球体龙伯透镜。

透镜阵列10中的任意两个龙伯透镜的介质材料的相对介电常数的具体分布情况可以相同，也可以不同，本发明实施实例不具体限制。但每个龙伯透镜的各同心层的介质材料的相对介电常数满足延径向连续分布的规律：εr(ri)＝2-(ri/r)²。其中，εr(ri)表示龙伯透镜的第i层介质材料的相对介电常数，ri为龙伯透镜第i层到透镜球心的相对距离，r为龙伯透镜的半径。其中，ri的具体值可以为第i层任意位置处距离球心的距离，例如：第i层中心位置处距离球心的距离、第i层与第(i-1)层相邻的边界位置处距离球心的距离、第i层与第(i+1)层相邻的边界位置处距离球心的距离，等等，本发明实施例不做具体限制。

馈源20具体用于：将龙伯透镜折射汇聚后的电磁波发送给波导管50，以使所述电磁波经由波导管50进入功率分配器30。

其中，每个龙伯透镜上设置的馈源20的位置可以相同，也可以不同，本发明实施例不做具体限制。每个龙伯透镜上设置的馈源20的数量可以为一个，也可以为多个，本发明实施例不做具体限制。当龙伯透镜上设置的馈源20的数量可以为多个时，同一龙伯透镜上的不同的馈源20接收的电磁波的波段不同。

透镜阵列10可以为任意结构形式，例如：直线形式、曲线形式、三角形式、球体形式、圆锥形式、立方体形式等等，本发明实施例不做具体限制。例如，参考图2，透镜阵列10包括四个半球体龙伯透镜：龙伯透镜15、龙伯透镜16、龙伯透镜17和龙伯透镜18，所述四个半球体龙伯透镜以直线形式排列。

功率分配器30具体用于：将从不同馈源20接收的电磁波进行合成。

其中，功率分配器30具有至少两个输入端口和至少一个输出端口，所述至少两个输入端口用于接收从不同馈源20发送的电磁波，所述至少一个输出端口用于输出功率分配器30合成的电磁波。当每个馈源20接收的电磁波为同一波段电磁波时，功率分配器30用于将从馈源20接收的全部电磁波进行合成，生成一路合成电磁波；当存在至少两个馈源20接收的电磁波为不同波段的电磁波时，功率分配器30用于将从馈源20接收的不同波段的电磁波分别进行合成，生成至少两路不同波段的合成电磁波，其中用于接收不同波段的电磁波的馈源20在龙伯透镜上的位置不同。

龙伯透镜天线对电磁波的具体处理过程为：电磁波入射透镜阵列10中的任一龙伯透镜后，经由龙伯透镜折射并汇聚于龙伯透镜的馈源20位置，然后通过馈源20发送至功率分配器30；功率分配器30在接收到至少两个不同馈源20发送的多路电磁波后，将所述多路电磁波进行合成处理，生成合成电磁波并输出。

功率分配器30可以被视作多端口网络，其特性可用散射矩阵s表示：

其中，snn为功率分配器30第n个输入端口的反射参数，snm为功率分配器30第n个输入端口对第m个输入端口的传输参数，m不等于n。

功率分配器30合成后的电磁波bn+1被可以表示为：

即：

其中，an为功率分配器30第n个输入端口输入的电磁波。

例如，当透镜阵列10为四路电磁波输出模式时，四个不同馈源20输出的电磁波从功率分配器30的四个输入端口输入，经功率分配器30进行功率合成后形成的合成电磁波由功率分配器30的输出端口输出，此时功率分配器30可以等效为五端口网络，其s参数为：

此时，功率分配器30合成后的电磁波可以被表示为：

在上述方案中，采用多个龙伯透镜形成的透镜阵列10对空间电磁波进行扫描并将其汇聚到龙伯透镜上的馈源20上，不同的馈源20将由不同龙伯透镜汇聚的多路电磁波发送给功率分配器30，功率分配器30对多路电磁波进行合成处理后，形成合成电磁波输出。与现有技术中采用单个龙伯透镜制作的天线相比，本方案采用多个龙伯透镜与一个功率分配器30共同作用，能够使得最终获得的电磁波增益加倍，并且每个龙伯透镜的剖面相较于单个龙伯透镜制作的天线的龙伯透镜的剖面要低。因此，本发明实施例所提供的龙伯透镜天线能够同时兼顾天线的高增益和低剖面性能。进一步地，由于每个龙伯透镜的剖面更低(即层数更少)，所以在制作工艺上也更加简单，节约了天线的加工成本。

可选的，在所述透镜阵列10包括有至少两个半球体龙伯透镜时，所述至少两个半球体龙伯透镜的导电平面(底面)相互平行。

通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，在所述透镜阵列10包括有至少两个半球体龙伯透镜时，所述至少两个半球体龙伯透镜的导电平面(底面)共面。

例如，参照图2，透镜阵列10包括四个半球体龙伯透镜：半球体龙伯透镜15、半球体龙伯透镜16、半球体龙伯透镜17和半球体龙伯透镜18，所述四个半球体龙伯透镜的导电平面在同一平面40上。

通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，透镜阵列10包括的至少两个龙伯透镜为完全相同的龙伯透镜，所述至少两个龙伯透镜在同一空间平面上以直线形式排列，所述至少两个龙伯透镜中相邻龙伯透镜的间距相同。

参考图2，透镜阵列10包括四个半球体龙伯透镜：半球体龙伯透镜15、半球体龙伯透镜16、半球体龙伯透镜17和半球体龙伯透镜18。所述四个半球体龙伯透镜的形状、大小、介电常数分布完全一样，在同一空间平面40上以直线形式排列，并且相邻龙伯透镜的间距相同。

通过本方式，能够进一步增大天线的增益，并简化天线的制作工艺，节约成本。

可选的，上述透镜阵列10包括的至少两个龙伯透镜中的至少一个龙伯透镜上设置有至少两个馈源20，所述至少两个馈源20中在所述龙伯透镜上的位置不同，每一个馈源20在龙伯透镜上的位置由其需要接收的电磁波的波段决定，该部分为本领域技术人员所熟知的内容，本发明实施例不进行赘述。

不同波段的电磁波入射所述透镜阵列10中的任一龙伯透镜后，经由龙伯透镜折射并分别汇聚于所述龙伯透镜的不同馈源20上，并由所述不同馈源20分别发送至功率分配器30，功率分配器30将从不同龙伯透镜的馈源20接收的属于相同波段的电磁波进行合成。

例如，参考图3，透镜阵列10包括四个龙伯透镜，分别为：龙伯透镜11、龙伯透镜12、龙伯透镜13以及龙伯透镜14。每个龙伯透镜上均设置有两个馈源20，分别用于接收ku波段电磁波和ka波段电磁波。当包含有ku波段电磁波和ka波段电磁波的电磁波入射所述透镜阵列10中的任一龙伯透镜后，ku波段电磁波和ka波段电磁波经由龙伯透镜折射并分别汇聚于所述龙伯透镜的不同馈源20上，并由所述两个馈源20发送至功率分配器30，功率分配器30将从龙伯透镜11、龙伯透镜12、龙伯透镜13以及龙伯透镜14接收的ku波段电磁波和ka波段电磁波分别进行合成，并将合成后的ku波段电磁波和ka波段电磁波分别输出。在图3中，ka波段电磁波以带有箭头方向的实线表示，ku波段电磁波以带有箭头方向的虚线表示，箭头方向即为电磁波的传输方向。

通过本方式，能够使得功率分配器30同时对多个龙伯透镜发送的不同波段的电磁波分别进行合成处理，进一步增大了天线的增益，降低了天线的剖面，节约了成本。

可选的，在上述天线用于向环境空间发送电磁波时，所述功率分配器30还用于：将需输出的电磁波分为至少两路，通过所述波导管50将所述至少两路电磁波中的每一路电磁波传输至一个所述馈源20；所述龙伯透镜还用于：接收从馈源20输出的电磁波，并将所述电磁波进行折射后发送环境空间。

其中，所述至少两路电磁波中的任意两路电磁波的能量可以相等，也可以不相等，本发明实施例不做具体限制。

接收所述至少两路电磁波的的馈源20可以为同一龙伯透镜上的不同馈源20，也可以为不同龙伯透镜上的不同馈源20，本发明实施例不做具体限制。

接收所述至少两路电磁波的龙伯透镜可以为所述透镜阵列10中的所有龙伯透镜，也可以为所述透镜阵列10中的部分龙伯透镜。

例如，参照图4所示，透镜阵列10包括龙伯透镜11、龙伯透镜12、龙伯透镜13以及龙伯透镜14，需输出的电磁波在图4中以带箭头的黑实现表示，箭头方向即为需输出的电磁波的传输方向。功率分配器30将需输出的电磁波分为3路电磁波后，被分配好的电磁波经由3路波导管50分别发送至龙伯透镜11、龙伯透镜12以及龙伯透镜13上的馈源20上，然后由龙伯透镜11、龙伯透镜12以及龙伯透镜13折射并发送至环境空间。

当然，在具体实施过程中，在需输出的电磁波不需要进行分配时，功率分配器30只输出一路电磁波，并通过透镜阵列10中的任一龙伯透镜折射后发送至空间。

通过本方式，使得天线在用于接收电磁波的同时，还能够用于向空间发送电磁波，进一步提升了天线的性能，节约了成本。

实施例二

本发明实施例二提供一种处理电磁波的方法，应用于上述实施例一所述的龙伯透镜天线。参照图5，当所述龙伯透镜天线用于接收环境空间中的电磁波时，对接收的电磁波的处理方法具体包括：

步骤601：通过所述透镜阵列10中的每个龙伯透镜将入射电磁波进行折射并汇聚于所述龙伯透镜的至少一个馈源20,并将汇聚的电磁波从所述至少一个馈源20发送至所述功率分配器30；

步骤602：通过所述功率分配器30将从不同馈源20接收的电磁波进行合成并输出。

具体的，功率分配器30将从不同馈源20接收的电磁波进行合成后，将合成的电磁波输出至其他元器件，由所述其他器件继续对电磁波进行处理。例如，当所述龙伯透镜天线用于接收卫星信号时，功率分配器30将合成后的电磁波传输至高频头。

可选的，参照图6，当上述龙伯透镜天线用于向空间发送电磁波时，对需输出的电磁波的处理方法具体包括：

步骤603：通过所述功率分配器30将需输出的电磁波分为至少两路；

步骤604：通过所述波导管50将所述至少两路电磁波中的每一路电磁波传输至一个所述馈源20；

步骤605：通过所述龙伯透镜将所述馈源20接收的电磁波进行折射并出射至环境空间。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例采用多个龙伯透镜与一个功率分配器共同作用，能够使得最终获得的电磁波增益加倍，并且每个龙伯透镜的剖面相较于单个龙伯透镜制作的天线的龙伯透镜的剖面要低。因此，本发明实施例所提供的龙伯透镜天线能够同时兼顾天线的高增益和低剖面性能。并且，由于每个龙伯透镜的剖面更低(即层数更少)，所以在制作工艺上也更加简单，节约了天线的加工成本。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。