一种无介质聚焦透射阵列天线的制作方法

本发明属于电磁测量
技术领域：
，尤其涉及一种无介质聚焦透射阵列天线。
背景技术：
：目前，业内常用的现有技术是这样的：点聚焦天线凭借其能够将电磁波能量集中到很小的区域内，被广泛应用于等离子体诊断、无线能量传输、微波医疗等场合。传统的聚焦天线按照馈源发射的方式可以分为两大类：抛物面反射镜天线和介质透镜天线。其中抛物面反射镜天线包括正馈反射镜天线和偏馈反射镜天线。虽然传统聚焦天线具有良好的聚焦性能等优点，但由于其重量较大、加工较为复杂、成本昂贵等诸多弊端。在某些特殊情况下，其应用受到了严重限制。透射阵列天线结合了传统透镜天线和平面阵列的优势，近些年来得到了广泛的研究。目前透射阵列的设计主要有两种方式。一种是利用新型人工电磁材料的方法，通过所设计的单元具有的谐振特性来引起特殊的负磁导率或负介电常数等电磁参数，实现整部分呈现出一定折射率的均匀介质结构，以达到汇聚电磁波的目的。但由于人工电磁材料本身具有窄带，损耗高等缺点，为实际应用造成很大的困扰。第二种是利用频率选择表面(fss)的方法，相对于人工电磁材料的方法，人工单元的尺寸稍大于人工电磁材料单元。通过改变不同位置上单元内在结构的大小，并多层叠加以达到提高天线性能的要求。但当前所发表的文献中大多数只能做到提升天线的相关增益，虽然也使得入射的电磁波起到了一定的汇聚效果，但离点聚焦这种微波测试要求还相距甚远；极其少数的聚焦透射阵列文献中也都是通过在介质层上完成设计，不仅大大增加了天线的重量，提高到成本，损耗也变得较大。不仅如此，在某些恶劣的使用环境中，比如高温等离子体测量或者太空探测等场所中，由于周围环境的多变性，尤其是周围温度变化会导致天线结构中的介质层的性能急剧恶化。现有聚焦天线由于存在厚重的介质层，所以可靠性差，无法满足恶劣的测试环境、重量重、所需的低损耗介质层大大提升了加工成本。与此同时，通过巧妙设计的纯金属单元并两两相连组成的透射阵列，在不依靠介质层的情况下实现聚焦，不仅提升了其可靠性，降低了成本和整体重量，并且进一步降低了焦斑的大小和汇聚的距离，汇聚性能进一步提升。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无介质聚焦透射阵列天线。本发明是这样实现的，一种无介质聚焦透射阵列天线，所述无介质聚焦透射阵列天线由透射阵列天线和馈源组成，并且透射阵列天线和馈源完全断开；所述透射阵列从上到下依次为辐射金属层、第二透射金属层、第一透射金属层、入射金属层；每层金属层表面上排列着上百个周期尺寸相同的槽线单元；以金属层中心点为半径的圆环上的槽线单元；所述馈源由标准增益天线构成；天线口径方向正对于透射阵列，馈源与透射阵列共轴；馈源的相位中心处在离透射阵列入射金属层一个入射焦距的位置。进一步，所述透射阵列由四层完全相同的金属层构成；四金属层结构两两之间的空气间隔相同。进一步，所述金属层上均匀分布多个圆形孔径。进一步，两两相邻的金属层通过空气层间隔，相邻层上的槽线单元一一对应且共轴。进一步，所述金属层采用0.25mm厚度的黄铜板切割制作。本发明的另一目的在于提供一种适用于电磁测量系统的所述无介质聚焦透射阵列天线的无线通信系统。综上所述，本发明的优点及积极效果为：关于透射阵列不同位置上槽线单元的设计，以中心单元为参照，调整单元上槽线长度在2.1mm到4.2mm的范围内来弥补两两之间的相移差，以达到所需点聚焦所需相位；且每个单元的周期尺寸仅为0.31波长，相较于传统频率选择表面单元，尺寸大减小，相位补偿精度大大提升；金属层上中心单元通过合理的选取，最大化的减弱相邻单元的相移差，消弱单元间的耦合作用。金属层厚度仅有2.5毫米薄，即便有四层结构，但整体质量相对于传统的阵列结构大大减轻，相对于现有的聚焦天线，由于本发明省略掉传统的低损耗介质层，结构简单，大大降低了成本。仿真数据证明，本发明提供的无介质聚焦透射阵列天线在设计的频段内焦点大小仅为1个波长左右、聚焦距离为3.1个波长，相对于现有的聚焦天线性能得到了巨大的提升，同时具有低于-35db的交叉极化水平。附图说明图1是本发明实施例提供的无介质聚焦透射阵列天线的结构示意图；图2是本发明实施例提供的透射阵列结构示意图；图3是本发明实施例提供的槽线单元结构示意图；图4是本发明实施例提供的槽线单元传输参数随槽线长度变化示意图；图5是本发明实施例提供的无介质基板聚焦透射阵列天线的工作原理图；图6是本发明实施例提供的槽线单元具体结构及参数示意图；图7是本发明实施例提供的天线沿着传播方向的电场强度分布图；图8是本发明实施例提供的焦平面上沿着xz面和yz面方向的电场强度分布图；图9是本发明实施例提供的天线在xz面上的归一化辐射方向图；图10是本发明实施例提供的天线在yz面上的归一化辐射方向图；图中：101、馈源；102、入射焦距；103、入射金属层；104、第一透射金属层；105、第二透射金属层；106、辐射金属层；107、出射焦距；108、汇聚焦点；201、圆形孔径；202、槽线单元；203、透射阵列；301、入射单元层；302、第一透射元层；303、第二透射单元层；304、辐射单元层；305、空气间隔；306、槽线。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示，本发明实施例提供的无介质聚焦透射阵列天线由透射阵列203和馈源101两部分组成。透射阵列203的示意图如图2所示，为了实现轻量化以及耐高温特性，从上到下依次为辐射金属层106、第二透射金属层105、第一透射金属层104、入射金属层103；每层金属层表面上排列着上百个周期尺寸相同的槽线单元202，相邻层上的槽线单元202一一对应且共轴。单元的结构如图3所示，每个槽线单元202上的槽线306数量固定；金属层上槽线单元202在不同位置上的槽线306长度是变化的，且在以金属层中心点一定距离为半径的圆环上的槽线单元202，其槽线306的长度保持不变；所设计四金属层结构，其两两之间空气间隔305保持一定，加上金属层厚度近似接近1/4的波长；与此对应的，馈源101采用标准增益角锥天线，工作频率范围在8.2ghz-12.4ghz，天线口径方向正对于透射阵列203部分，馈源101与透射阵列203共轴，其口径面距离入射金属层103最近，馈源101的相位中心处在离透射阵列203入射金属层103一个入射焦距102的位置。槽线单元202内槽线306通过在一定范围内变化，传输参数可以得到不同的相位和幅值，具体仿真结果如图4所示。透射阵列203上不同位置槽线单元202以中心单元为参照，通过将所需的相移与图4中结果一一对应，合理排布，以达到所需目的。该无介质基板聚焦透射阵列天线的工作原理如图5所示，工作波长为λ的电磁波由角锥喇叭口径发出，并沿着z轴方向传播，传输到距离一个入射焦距102的透射阵列203上，此时入射焦距102fi；假设出射波垂直于透射阵列203时，设位于xoy平面的透射阵列203表面上第i个单元的坐标为(xia,yib),第i个单元到中心的距离为ri，波长为l，则第i个单元所需要的传输相位为：其中k＝2π/l，如上所述，这是一个将球面波转化为平面波的过程。如果将发射的平面波再转化为球面波就会得到所需的点聚焦结果，且球面波和平面波之间的相互转化为互逆过程。通过以上分析可以确定，当一个波长为l的电磁波照射在透镜阵列203上时，为了使出射波能量汇聚到一个很小的区域，类似于传统的点聚焦天线，4层纯金属结构的透射阵列203表面上第i个槽线单元202所需的相位差通过计算和推导为其中f0为出射焦距107。将得到的相位差与图4所示的单元传输参数一一对应，整个阵列由此完成。图4中传输参数通过改变单元槽线306长度可以实现360°的相位变化，但当阵列的相关尺寸给定后，要实现点聚焦特性，产生汇聚焦点108，所需相位的变化将大于360°，当入射焦距102fi给定时，即便理论设计的出射焦距107fo有很大的变动，实际的fo仅仅会发生小幅度波动。考虑到相位的周期性，并选择合适的中心单元和出射焦距107，可使在满足点聚焦性能的同时，降低由于单元不均匀分布所产生的误差。以上就是本发明所提出的无介质基板聚焦透射阵列天线的工作原理。从图2中的透射阵列203的结构示意图可以看出，整个阵列从中心单元到边缘单元的槽线306长度是先变大，再由小变大这样的过程，以此来实现所需的相位差。除此之外，为了方便相关工具来支撑整个阵列，每一层透射阵列203边缘上均匀分布着16个圆形孔径201。天线的透射阵列203采用金属铜加工制作，由四层结构尺寸完全相同的金属层叠加而成，每两层之间的空气间隔305为7.2mm，直径214mm的圆形金属层上分布着325个具有不同相移的槽线单元202，综合考虑到机械支撑和相移的影响，每层厚度为0.25mm。馈源101采用标准增益角锥喇叭天线，在中心频率9.3ghz下增益为15.9dbi。本发明的槽线单元202从上到下依此为辐射单元层301、第二透射元层302、第一透射单元层303、入射单元层304，具体结构如图6所示，相关参数如下：参数ppskw数值(mm)109.51.61参数lht数值(mm)2.2-4.27.20.25天线仿真使用的是ansofthfss18仿真软件有限元算法,设计结果如图7-图10所示。结果表明在距离天线口径正上方100mm处，形成电场强度峰值，最大电场值为53.5db,焦点的大小大约为1个波长左右，对称性好，交叉极化水平低于-35db，聚焦距离为3.1个波长，与理论吻合较好，实现了出色的点聚焦性能。翻阅相关文献，在焦点大小为1个波长左右时候，能在3.1个波长处实现这么近距离的汇聚尚属首次。同时该聚焦天线主体部分为纯金属单元，可在某些恶劣的测试环境中长期稳定工作。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12