[发明专利]一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线及其设计方法

权利要求书

1.一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线，其特征在于：包括三维阻抗匹配透镜、双脊喇叭天线和波导延长段，双脊喇叭天线开口与波导延长段相连，三维阻抗匹配透镜被内嵌在波导延长段中，波导延长段长度与三维阻抗匹配透镜厚度相等，以完全覆盖三维阻抗匹配透镜侧边；三维阻抗匹配透镜包括若干个等效折射率单元，所述等效折射率单元包括两类，其中，一类包括一对打孔介质基板和一块双面覆盖正方形金属贴片的介质基板，所述一对打孔介质基板对称紧贴于双面覆盖金属的介质基板两侧；另一类包括三块打孔介质基板，其中两块打孔介质基板打孔大小固定且相等，所述两块打固定且相等大小孔的介质基板对称紧贴于剩余一块打孔介质基板两侧；

其中，三维阻抗匹配透镜的等效折射率分部在x、y、z三个正交方向均呈由中心向两侧递减的渐变分布，沿电磁波的传播方向，透镜两端的等效折射率为1，与自由空间完全匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线，其特征在于：三维阻抗匹配透镜具有一定厚度，且形状与喇叭天线口面形状一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线，其特征在于：双脊喇叭天线为宽带喇叭天线，作为馈源辐射宽带类球面波，透镜天线工作带宽取决于双脊喇叭天线工作带宽。

4.一种权利要求1-3任一项所述基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计双脊喇叭天线、波导延长段；

双脊喇叭天线选用正方形口面的双脊角锥喇叭天线，喇叭口面伸出部分为波导延长段，根据三维阻抗匹配透镜设计公式，设定喇叭口径面，为保证波导延长段完全覆盖三维阻抗匹配透镜侧边，设定波导延长段长度；

(2)设计三维阻抗匹配透镜；

考虑双脊角锥喇叭天线的正方形口面，设定三维阻抗匹配透镜为长方体形状，根据三维阻抗匹配透镜设计公式，设定三维阻抗匹配透镜长度、宽度和厚度；三维阻抗匹配透镜包括若干个等效折射率单元，所述等效折射率单元由两类构成：一类包括一对打孔介质基板，一块双面覆盖正方形金属贴片的介质基板，所述一对打孔介质基板对称紧贴于双面覆盖金属的介质基板两侧；一类包括三块打孔介质基板，其中两块打孔介质基板打孔大小固定且相等，所述两块打固定且相等大小孔的介质基板对称紧贴于剩余一块打孔介质基板两侧。

5.根据权利要求4所述的一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线的设计方法，其特征在于，等效折射率单元的具体设计步骤如下：

(21)使用Matlab软件计算并提取出三维匹配透镜的离散等效折射率分布，规定在x、y方向离散间隔约为0.1个波长，在z方向离散间隔约为0.06个波长，得到对应于透镜等效折射率分布的三维矩阵，此处波长指定为双脊喇叭天线的中心波长；

(22)考虑到三维匹配透镜在x、y方向离散间隔约为0.1个波长，在z方向离散间隔约为0.06个波长，设定等效折射率单元尺寸在x、y方向约为0.1个波长，在z方向约为0.06个波长；所述两种等效折射率单元，一类通过改变等效折射率单元中两层正方形金属贴片的边长，调整其等效折射率大小；一类通过改变等效折射率单元中间层打孔大小，调整其等效折射率大小；设计两类等效折射率单元时，采用的介质基板为介电常数2.2，损耗角正切为0.0001的Teflon板材，金属贴片采用纯铜材质；

(23)按照等效折射率三维矩阵对应排布不同尺寸的等效折射率单元，组成所述形为长方体的三维阻抗匹配透镜。

6.根据权利要求4所述的一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线的设计方法，其特征在于，整个透镜的等效折射率分布计算方法为：

根据费马定理，为保证出射波为等相位的平面波，则需保证从点源辐射的任意电磁波经由自由空间和透镜后总光程相等；因此，假定透镜中心为坐标轴原点，点源至透镜中心的连线方向为z方向，对于透镜上任一点(x,y,z),有：

其中，n₁为自由空间折射率；t为透镜的厚度，f为点源距离透镜边缘的垂直距离；

不同于其他透镜，该三维阻抗匹配透镜的等效折射率在x、y、z三个正交方向均呈由中心向两侧递减的渐变分布，为方便起见，假设其沿三个正交方向均呈线性变化，由此上式变化为：

令上式简化为：

对上式积分，方程变为：

当z固定不变时，上式简化为：

假设透镜的等效折射率在x、y方向拥有相同的线性变化趋势，则有：

假设在z方向上，透镜两侧的等效折射率应为1，且透镜的等效折射率呈线性中心递减变化，因此：

将上式带入公式(5)，则：

其中，n_m(0)为透镜等效折射率的最大值；

假设等效折射率为线性变化，因此：

n_m(z)＝2n(x，y)-1 (9)；

因此，根据式(7)、(8)、(9)，得到整个透镜的等效折射率分布。