一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线

1.本发明设计一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线。


背景技术：

2.透镜天线出现的很早，由于材料学科以及加工精度等方面的影响，最早期的透镜天线并不能达到很好的效率，而且没有体积小的优势，后期随着新型低损耗材料的发现以及加工水平的提高推动了透镜天线效率的提高以及小型化的快速发展；与此同时，多波束透镜天线的技术也取得了一定的发展与突破。介质材料选择聚四氟乙烯(ptfe)，介电常数是2.1，该材料在毫米波段广泛应用，因其具有很多优势，如低损耗，价格低，易加工等，设计成圆柱样式。对目标的探测，往往需要能量更为集中，加入透镜可以实现窄波束的效果，进而提高分辨率。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线，该透镜天线工作在77ghz～81ghz频段，透镜天线主瓣波束峰值达到22.5dbi，同时e面3db波束角12deg，h面3db波束角11.5deg。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线，包括初级馈源天线、次级介质透镜和电路部分。通过3d打印结构体将所述初级馈源天线和次级介质透镜安装固定，垂直间距控制在2mm，所述初级馈源天线的辐射方向朝向次级介质圆柱透镜。所述介质圆柱透镜具有均与介质材料。
5.本发明初级馈源天线模块所用的介质材料是rogersro4350b,介质材料厚度为0.1016mm，其介电常数为3.66，正切损耗值为0.0037，微带线的特性阻抗为50欧姆，77ghz～81ghz频段的中心频点78.5ghz在上述介质中的波导波长λg＝3.8mm。经计算当微带线宽度w4为0.18mm时，微带线在上述介质材料中的特性阻抗为50ω。本发明介质透镜所用的材质为均匀的聚四氟乙烯，其介电常数为2.1，正切损耗值为0.0002。
6.所述单个微带矩形贴片天线单元为线极化。最大辐射方向与天线轴线互相垂直。微带矩形贴片天线宽度根据公式把c＝3
×
108m/s，中心频点f＝78.5ghz,εr＝3.66代入计算得到w1＝1.252mm.有效介电常数εe和波导波长λg根据公式波导波长：代入得到εe＝3.277,λg＝2.116mm,λ0＝3.8mm辐射缝隙的长度δl根据公式3.8mm辐射缝隙的长度δl根据公式代入得到δl＝0.0487mm矩形贴片的长度l根据公式矩形贴片的长度l根据公式代入计算得到l1＝0.966mm。
7.所述初级馈源天线包含八个微带矩形贴片天线单元形成1x8串馈天线。微带矩形贴片天线单元为矩形金属贴片，相邻微带矩形贴片天线单元通过w2＝0.1mm，l2＝λg/2＝
1.058mm的微带线相连，第一个微带贴片天线单元，通过阻抗匹配段w5＝0.14mm，l5＝1.02mm与50欧姆微带线w4＝0.18mm，l4＝2mm进行阻抗匹配连接。第八个微带矩形贴片天线单元l3＝l1-0.11mm，相比于前七个微带矩形贴片单元，第八个微带举行贴片单元l3需要比l1小0.11mm来调节方向图。
8.所述次级介质透镜由均匀介质组成的圆柱透镜。透镜放置在初级馈源天线所在平面的顶部，与初级馈源天线的e面相切，且初级馈源天线在圆柱透镜的焦直线上。在焦直线上，可以确保经由天线发射出去的电磁波通过透镜之后可以水平传播，且接收到的电磁波经过透镜可以聚焦在天线处。据射线追踪法入射角入射角均θs≤θm；在空气与介质柱透镜交界处相关入射角射线最终折射进入自由空间的折射角为n2为相对折射率，θe＝θ
3-θ’,经过以上的推导，可以有效确定该介质柱透镜天线的最佳d/r比，即柱透镜的焦点位置，仿真得到d/r在0.1-0.2时θe最为平坦。根据d/r的关系确定圆柱透镜的半径r和距离馈源天线的距离d。
9.所述电路与所述初级馈源天线电性连接；所述电路包括电子开关切换电路、射频处理电路、中频处理电路和信号处理电路。所述每级工作电路之间电性连接。电子开关切换电路实现收发通路的开启和关闭，射频处理电路包括接收电路和发射电路，接收电路包括对天线接收的信号进行放大电路和下变频处理电路，发射电路包括对包含发射数据的信号进行放大电路和上变频处理电路。中频处理电路对中频信号进行滤波和放大，生成iq两路信号送入信号处理电路，进行信号的调制和解调。
10.本发明通过使用均匀介质柱透镜天线，提高天线增益、效率，且初级馈源天线通过介质柱透镜使h面辐射方向图锐化，与现有毫米波天线相比，口径效率高，旁瓣和后瓣低，方向性较好，波束窄。
附图说明
11.图1是本发明的总体结构图。
12.图2是本发明圆柱透镜结构图。
13.图3是本发明微带串馈天线结构图。
14.图4是介质柱透镜天线对应的几何结构图。
15.图5是透镜天线对应的出射角关于入射角的函数图。
16.图6是本发明透镜天线仿真e面h面方向图。
17.图7是本发明透镜天线电路结构图。
具体实施方式
18.如图1所示，一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线，包括初级馈源天线部分2、次级透镜部分1和电路部分3，初级馈源天线部分采取微带1x8串馈天线结构；次级透镜部分：采取均匀介质圆柱透镜；透镜天线电路部分采取射频电路收发机结构。
19.上述具体实施例中，如图2所示，本发明提供的一种透镜天线，其初级馈源天线采
取1x8串馈天线结构，第一个到第七个微带矩形贴片天线单元尺寸为的矩形，微带矩形贴片天线单元之间通过l2＝λg/2＝1.058mm，w2＝0.1mm的微带线进行连接，第八个微带矩形贴片天线单元尺寸为w1＝1.252mm，l3＝l1-0.11mm，第一个矩形微带贴片阵子通过w5＝0.14mm*l5＝0.525mm的微带线与标准50欧姆特性阻抗微带线(w4＝0.18mm，l4＝2mm)相连。
20.上述具体实施例中，透镜天线的副瓣和后瓣小，方向图较好，介质透镜的作用就是使得天线波束经过透镜之后变的尖锐，方向图上表现为波束角变窄。
21.上述具体实施例中，如图3所示，圆柱透镜直径为18mm，长度为30mm，圆柱透镜距离馈源天线2mm，如图4所示，根据射线追踪法入射角根据射线追踪法入射角入射角均θs≤θm；在空气与介质柱透镜交界处相关入射角射线最终折射进入自由空间的折射角为n2为相对折射率，θe＝θ
3-θ’,经过以上的推导，可以有效确定该介质柱透镜天线的最佳d/r比，即柱透镜的焦点位置，如图4所示θe越小越好，当θe＝0时，射线平行出射，实现聚焦。聚焦时，介质柱透镜天线增益最大，天线效率接近最优。如图5所示仿真来看，选取柱透镜半径r＝9mm，d＝2mm，此时θe接近0，可以确定透镜的柱透镜焦点在2mm处，从而确定最佳馈源天线位置为间距透镜2mm处。
22.上述具体实施例中，如图5所示，本发明提供的一种高分辨率窄波束毫米波透镜天线，透镜直径为18mm，长度为30mm，距离馈源天线距离为2mm，经过cst电磁仿真软件仿真结果得知，未加圆柱透镜前天线辐射单元h面3db波束宽度为83.5
°
，加了圆柱透镜后天线辐射单元h面3db波束宽度为12
°
，波束宽度可见变小，主瓣峰值增益由14.2dbi增大到22.5dbi，主瓣峰值增加了8.3dbi，能量集中。并且天线副瓣抑制大于15db，极大减少了相邻目标的干扰，加了透镜之后的e面波束角变化不大，由12.7
°
到14.2
°
。
23.上述具体实施例中，经过设计使用介质圆柱透镜天线，提高天线增益、降低成本和功耗，馈源天线经过圆柱透镜辐射，使其h面辐射方向图锐化，能量更为集中，由于使用介质透镜提高增益，同时可以在水平垂直方向移动扫描，进而提高分辨率。
24.上述具体实施例中，如图6所示，本发明还包括与馈源天线电性连接的电路，该电路包括天线开关切换电路、射频处理电路、中频处理电路和信号处理电路。收发天线采用同一天线，通过天线开关切换电路进行收发天线切换；射频处理电路包括接收电路和发射电路，接收电路中包括低噪声放大器电路和下变频电路，发射电路中包括功率放大器电路和上变频电路；中频处理电路主要为中频带通滤波器和中频放大器电路；信号处理电路核心器件是fpga，其主要功能为中频信号的调制与解调，对iq两路回波信号进行数据后处理和计算，以及产生发射信号进入上变频电路。