[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

说明书

本发明公开了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，包括三维阻抗匹配透镜、双脊喇叭天线馈源及波导延长段，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。从高频信号源发出的相干电磁波经双脊喇叭天线辐射类球面波，通过固定于喇叭天线口面波导延长段内的三维阻抗匹配透镜，转变为等相位面正交于传播方向的非均匀平面波，并向自由空间辐射。该透镜天线易于设计、结构简单、成本低廉、工作频带宽、增益高、回波损耗小，可以替代传统均匀介质透镜天线，在许多领域均具有很高的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种超宽带高增益三维阻抗匹配透镜天线及其设计方法，属于新型人工电磁器件领域。

背景技术

喇叭天线属于一种面天线，其特征在于馈电波导段终端以一定角度渐变张开，大多为圆形或矩形口面，整体形状呈喇叭状，是最为普遍、使用最为广泛的一类微波器件。喇叭天线之所以被广泛应用，原因在于其具有结构简单、工作频带宽、功率容量大、回波损耗小、插入损耗小等优点。但是，要想获得较好的定向性或较高的增益，其必定具有较大的尺寸，这也限制了其在许多场合的实际应用。为了在较小的尺寸内获得同等的性能，可以将介质材料基于几何光学理论制作成一定的形状，放置在喇叭天线的口面上组成透镜天线，以汇聚电磁波信号，形成较窄的波束，提高喇叭天线的定向性。然而现有的透镜大都采用均匀介质材料，经由机械加工呈现出既定的形状，其庞大的体积、较高的加工精度、高昂的成本均是限制其被广泛应用的短板。

发明内容

发明目的：本发明的目的是实现一种结构简单、成本低廉、工作频带宽、定向性好、回波损耗低的超宽带高增益透镜天线。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于三维阻抗匹配透镜的超宽带高增益透镜天线，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

本发明还提供了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，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；