一種產生貝塞爾波束的天線制造技術

本發明專利技術屬于電磁波束成型領域，提供一種產生貝塞爾波束的天線，包括聚束平面和饋電喇叭，饋電喇叭正對聚束平面的中心；所述聚束平面為具有聚束功能的雙層介質基板結構，包括從下至上依次共軸層疊的印刷電路下層、高頻介質基板下層、印刷電路中層、高頻介質基板上層、印刷電路上層，其中，高頻介質基板上層和高頻介質基板下層為相同大小的矩形平面結構，所述上、中、下三層印刷電路層均設置有網格排列的聚束單元，且三層印刷電路層網格分布相同，每個聚束單元內均設置金屬貼片、且位于網格的中心。本發明專利技術結構簡單、加工成本低、聚束效率高、有效帶寬寬、應用頻帶高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電磁波波束成型領域，特別涉及一種產生貝塞爾波束的天線。
技術介紹
貝塞爾波束具有聚束傳播的特性，能以無衍射方式傳播相當一段距離。電磁波的空間聚束傳播有著十分重要的應用，在電磁能無線傳輸、THz頻段空間波導、近場探測雷達、微波醫療器械、高精度微波測量乃至空間太陽能的地-空輸能等領域都需要電磁波的空間聚束特性。貝塞爾波束在光學領域已有廣泛而深入的研究，可以通過環縫法、全息成像、球面像差透鏡等變換方法產生貝塞爾波束，但這些方法在微波毫米波頻段很難實現，且轉換效率低；在微波毫米波領域，廣泛采用的方法有軸棱錐變換法和天線口面生成法。傳統軸棱錐透鏡及其變形形式需要至少一個凸透鏡先將饋電喇叭的出射波轉換為高斯波束，再在高斯波束的束腰處放置軸棱錐或其變形透鏡，以實現高斯-貝塞爾波束轉換，這種結構不僅透鏡笨重，體積大，加工困難成本高，同時對三器件的相對位置，共軸都有較高要求，多層且較厚的介質也引入了較大損耗。天線口面生成法是采用各類天線形式，在天線口徑面上使出射場的幅相分布服從貝塞爾函數，從而生成貝塞爾波束；但是，由于電場在波陣面上形成良好的貝塞爾函數分布特性具有較大難度，天線結構普遍復雜，在微波特別是毫米波頻段加工困難，精度要求高，帶寬窄，效率低，難以廣泛應用。因此，設計一種全新的結構簡單，效率較高，易于在較高頻率上實現的新型貝塞爾波束生成裝置具有十分重要的意義。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對
技術介紹
的不足之處提供一種產生貝塞爾波束的天線，具有結構簡單、加工成本低、聚束效率高、有效帶寬寬、應用頻帶高的優點。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：一種產生貝塞爾波束的天線，包括聚束平面1和饋電喇叭2，饋電喇叭2正對聚束平面1的中心；其特征在于，所述聚束平面1為具有聚束功能的雙層介質基板結構，包括從下至上依次共軸層疊的印刷電路下層14、高頻介質基板下層112、印刷電路中層13、高頻介質基板上層111、印刷電路上層12，其中，高頻介質基板上層111和高頻介質基板下層112為相同大小的矩形平面結構，所述上、中、下三層印刷電路層均設置有網格排列的聚束單元，且三層印刷電路層網格分布相同，每個聚束單元內均設置金屬貼片、且位于網格的中心。進一步的，所述網格與金屬貼片形狀相對應，為矩形或六邊形；所述印刷電路下層14、印刷電路中層13及印刷電路上層12的聚束單元內金屬貼片形狀相同，且印刷電路下層14、與印刷電路上層12的聚束單元內金屬貼片尺寸相同。網格和金屬貼片為矩形，則饋電喇叭2在發射水平和垂直極化波時可生成不同景深和波瓣寬度的貝塞爾波束；網格和金屬貼片為六邊形，則提高了出射場的軸對稱性，能夠在一定程度上提高貝塞爾波束的生成效率。所述對饋電喇叭2為線極化角錐喇叭或圓極化圓錐喇叭，增益為10～15dB。將角錐喇叭改為圓錐喇叭，可提高生成貝塞爾波束的軸對稱性；將線極化喇叭改為圓極化或橢圓極化喇叭，可生成圓極化或橢圓極化的貝塞爾波束。從工作原理上講，通過設置聚束平面上聚束單元內三層金屬片的大小，將聚束單元等效為有聚束效應的低通濾波器，在聚束平面的任意位置可實現0度、-90度、-180度、-270度的插入相移，進而在饋電喇叭的照射下，在聚束平面的出射口面上生成滿足貝塞爾分布的相位分布，以生成貝塞爾波束。首先將聚束平面劃分成若干網格，在網格內分布具有聚束功能的聚束單元，在聚束平面上每個位置實現應有的移相，從而將入射的近似球面波轉換為貝塞爾波束；劃分的網格內理想移相量θρ(f)由下式可得：其中，F為饋電喇叭的相位中心與聚束平面中心的距離，ρ為劃分的網格中心與聚束平面中心的距離，θρ(f)為劃分的每個網格內聚束單元的理想移相量，f為工作頻率，λ為自由空間波長，為貝塞爾波束的匯聚角；聚束平面直徑R由具體應用口面大小確定，設饋電喇叭的波瓣寬度為2α，則可由下式確定R的值：F=R2tanα]]>匯聚角可根據需要的貝塞爾波束景深Zmax或半功率波瓣寬度HPBW計算得到：由上三式可得，對于已知需求景深的波束，網格中心與聚束平面中心的距離為ρ的聚束單元的理想移相量為：θρ(f)=2πfc(R2R2+4Zmax2ρ+F2+ρ2-F)]]>對于已知需求半功率波瓣寬度的波束，與介質基板中心的距離為ρ的單元的理想移相量為：θρ(f)=2πfc(0.356cHPBWfρ+F2+ρ2-F)]]>由此，根據每個聚束單元距中心距離ρ的不同，根據上述兩式即可計算出每個單元的理想移相量，再通過聚束單元設計，在聚束平面的出射口面上生成滿足貝塞爾分布的相位分布，以生成貝塞爾波束。介質基板應選擇損耗小，介電常數較低，高頻性能穩定的板材。四種移相幅度對應的金屬貼片的大小通過周期邊界條件在全波仿真軟件中得到。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點：1、本專利技術采用聚束平面技術，僅采用普通PCB工藝，聚束平面僅厚約1毫米，重量較普通透鏡下降90％以上；2、僅需一塊聚束平面即可實現貝塞爾波束，較傳統軸棱錐變換法少用一個透鏡變換元件，裝置大大簡化，重量及成本大幅下降；3、在實現效果上，由于聚束平面厚度極薄，介質損耗幾乎可以忽略不計，避免了多組透鏡出現的介紹損耗；4、成熟的PCB工藝較透鏡提供更高加工精度，對微波特別是毫米波頻段的貝塞爾波束實現具有獨特優勢；5、本專利技術與口面生成法下的各種貝塞爾波束天線相比，結構更為簡單，無需復雜的饋電結構，避免了傳輸及失配損耗；6、本專利技術較現有技術可適用于更高頻段，避免了機械加工引入的較大誤差，應用PCB技術易于實現大規模生產；7、通過計算口面出射場的幅相，可生成高階、多階乃至偏焦貝塞爾波束。附圖說明圖1為本專利技術聚束平面的側視示意圖；圖2為本專利技術實施例1中聚束平面印刷電路上、下層的聚束單元分布示意圖；圖3為本專利技術實施例1中聚束平面印刷電路中層的聚束單元分布示意圖；圖4為本專利技術實施例1中聚束平面第一象限內正方形單元網格劃分示意圖；圖5為本專利技術實施例1中聚束平面中聚束單元位置示意圖；圖6為本專利技術天線產生貝塞爾波束的光路示意圖；圖7為本專利技術天線產生貝塞爾波束電場強度縱截面測試圖；圖8為本專利技術天線產生貝塞爾波束電場強度橫截面測試圖；其中：1為聚束平面，2為饋電喇叭，12為印刷電路上層，111為高頻介質基板上層，13為印刷電路中層，112為高頻介質基板下層，14為印刷電路下層，121、131、141分別為印本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種產生貝塞爾波束的天線，包括聚束平面(1)和饋電喇叭(2)，饋電喇叭(2)正對聚束平面(1)的中心；其特征在于，所述聚束平面(1)為具有聚束功能的雙層介質基板夾三層印刷電路層結構，包括從下至上依次共軸層疊的印刷電路下層(14)、高頻介質基板下層(112)、印刷電路中層(13)、高頻介質基板上層(111)、印刷電路上層(12)，其中，高頻介質基板上層和高頻介質基板下層為相同大小的矩形平面結構，所述上、中、下三層印刷電路層均設置有網格排列的聚束單元，且三層印刷電路層網格分布相同，每個聚束單元內均設置金屬貼片、且位于網格的中心。

【技術特征摘要】
1.一種產生貝塞爾波束的天線，包括聚束平面(1)和饋電喇叭(2)，饋電喇叭(2)正
對聚束平面(1)的中心；其特征在于，所述聚束平面(1)為具有聚束功能的雙層介質基板
夾三層印刷電路層結構，包括從下至上依次共軸層疊的印刷電路下層(14)、高頻介質基板下
層(112)、印刷電路中層(13)、高頻介質基板上層(111)、印刷電路上層(12)，其中，高
頻介質基板上層和高頻介質基板下層為相同大小的矩形平面結構，所述上、中、下三層印刷
電路層均設置有網格排列的聚束單元，且三層印刷電路層網格分布相同，每個聚束單元內均
設置金屬貼片、且位于網格的中心。
2.按權利要求1所述產生貝塞爾波束的天線，其特征在于，每個所述聚束單元內金屬貼
片尺寸由該聚束...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程鈺間，鐘熠辰，薛飛，雷星宇，樊勇，張永鴻，宋開軍，張波，林先其，趙明華，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51