[发明专利]单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线

说明书

本发明涉及一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，包含圆极化喇叭天线主体，以及覆盖设置在其顶部上方的单介质平面透镜；其中，单介质平面透镜包含介质基片，以及嵌入设置在其内部的多个阵列单元；该阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且在介质基片内部采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行排布；圆极化喇叭天线主体包含由下至上依次设置的矩形波导、具有斜切角的圆波导和喇叭状的圆开口波导。本发明利用具有圆形通孔的阵列单元作为单介质平面透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的圆形通孔的直径，控制相位分布，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，达到提高其增益和定向性的目的。

技术领域

本发明涉及一种天线，具体是指采用单介质平面透镜加载的、高增益、宽带、集成化的毫米波圆极化喇叭天线，属于天线设计技术领域，主要应用于卫星通信、雷达、成像等领域。

背景技术

近年来随着现代通信和雷达技术的大力发展，传统的低微波频段的频谱资源日益紧张，因此毫米波段以其丰富的频谱资源，越来越成为广大研究人员探索和关注的热点问题。毫米波天线由于具有紧凑的结构，可获得较高的增益、定向性和窄波束宽度，在雷达、成像、卫星通信等领域有着重要的应用前景。

喇叭天线是一种常用的功率辐射器，具有结构简单，波束指向性稳定、宽带、低副瓣等特点，是毫米波天线的一个较好选择。由于喇叭天线的增益主要由其物理尺寸决定。对于高增益、窄波束的应用需求而言，喇叭天线的体积往往比较大。而且当天线口面尺寸增加到一定程度，由于路径差引起的口面相位抵消作用，喇叭天线的增益不增反降。为了提高喇叭天线的增益和定向性且保持天线结构的紧凑性，就有学者提出了加载透镜的喇叭天线的概念。通过在喇叭口面加载三维立体的电磁透镜，实现将喇叭天线的馈电波导辐射的球面电磁波调整为具有较好方向性的平面波。三维立体的电磁透镜主要利用介质材料的曲面外形实现电磁波相位补偿的功能，曲面介质具有连续的相位补偿特性、相位误差小、频率带宽较宽，但依然存在体积比较大、加工难度高等问题。相反，平面二维介质透镜利用单层相移单元来实现相位补偿功能，具有体积紧凑，重量轻，易加工的特点，从而越来越受到人们的青睐。

为了适应卫星通信宽带、高数据率传输的需求，对卫星天线提出了宽带、高增益的要求。目前记载的平面透镜多采用谐振周期单元组成二维平面阵列的形式。谐振周期单元往往具有窄带的特点，多层单元具有较宽的带宽但厚度重量存在问题。为了实现单层宽带透射阵列，需要探索一种新型宽带透波单元，既具有平面的外形，又满足星载应用结构强度的要求。

基于上述，本发明提出一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，以解决现有技术中存在的缺点和限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，利用具有圆形通孔的阵列单元作为单介质平面透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的圆形通孔的直径，控制相位分布，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，达到提高其增益和定向性的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，包含圆极化喇叭天线主体，以及覆盖设置在该圆极化喇叭天线主体顶部上方的单介质平面透镜；其中，所述的单介质平面透镜包含介质基片，以及嵌入设置在该介质基片内部的多个阵列单元；所述的阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且在介质基片内部采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行排布；所述的圆极化喇叭天线主体包含由下至上依次设置的矩形波导、具有斜切角的圆波导和开口由窄到宽变化的喇叭状的圆开口波导。

在介质基片内部，各个所述的阵列单元之间均匀间隔设置。

所述的基于馈源相位中心的相位补偿原理算法具体为：设定馈源相位中心位于单介质平面透镜的焦点位置，各个阵列单元的相位分布表示为：