[发明专利]一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线

说明书

本发明的目的在于提供一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，属于天线技术领域。该天线将球面龙伯透镜天线通过光学变换压缩为平面结构，再利用优化算法优化出与平面透镜结构相匹配的大间距稀布馈电阵列，使得天线在确定稀疏布局后，天线工作过程中在不同扫描角度下激励幅度不发生变化，以保障扫描范围内EIRP指标；同时，天线还具有高增益、低剖面、低成本的优势，是有较强的工程实用性。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线。

背景技术

随着5G、低轨卫星通信等无线通信技术的快速发展，无线通信的应用场景变得越来越复杂。天线作为无线通信系统中的重要器件，其性能要求变得越来越高。在5G、低轨卫星通信等无线通信场景中，存在远距离通信，波束对准与小空间装配等实际应用，因而要求天线具有高增益、波束快速切换、低剖面的要求。

相控阵天线是通信系统中应用最广泛的波束扫描天线，具有快速宽角扫描、多波束形成、空间功率合成等能力；该天线通过控制阵列天线各单元的相位以达到灵活控制波束的目的。但是在毫米波波段，由于阵元间距非常小，存在没有足够空间放置阵列的收发（TR）组件等问题。另一方面，由于毫米波器件的输出功率小，系统发射信号的能力EIRP更为重要。此外，随着增益的增高，TR通道规模增大，相控阵天线还存在成本高昂和功率消耗过大等问题。上述问题使得毫米波相控阵在成本受到严格限制的商用通信系统中不具有明显的竞争优势。

透镜天线是一种将点源辐射的球面波转换为平面波、从而获得高增益笔形波束的天线。相比相控阵天线与抛物面天线，透镜天线因高增益、低成本、易加工等优势被广泛应用于需要高增益的无线通信场景中。常见的透镜天线有曲面介质透镜、龙伯透镜、菲涅尔透镜、透射阵天线等。龙伯透镜具有良好的高增益波束扫描性能，但是与曲面介质透镜一样，龙伯透镜存在体积庞大笨重、天线剖面高及加工成本昂贵等问题，限制了其在大规模商业中的应用。

基于以上问题，大量研究者将相控阵天线和透镜天线相结合，对相控馈电的透镜天线展开研究，将透镜天线的高增益低成本与相控天线的大角度快速电扫描有机结合在实现高增益的同时，可以用较少的 TR 通道数量实现连续快速地波束扫描，既降低了系统成本又改善了天线扫描性能。同时，当相控阵天线被适当激励时，可以产生一个远低于相控阵所在平面的聚焦点，该焦点可用作透镜天线的虚拟焦点；于是天线的剖面高度从透镜到虚拟焦点的距离变为透镜到相控阵的距离，从而降低了整个天线的剖面高度，更利于实际工程应用。

Zhishu Qu等人在“Wide-Angle Scanning Lens at 28 GHz Fed by AntennaArray”论文中将高增益低成本的透镜天线与大角度快速电扫描的相控天线有机结合，虽然实现±58°的扫描能力，然而随着3D介质透镜扫描角度增加，馈源阵列激励的单元数越少，使得系统指标等效全向辐射功率（EIRP）明显下降，严重制约了超高增益无线通信场景的使用需求；电子科技大学屈世伟教授团队在“相控透镜天线技术研究”中，以EIRP为优化目标，通过采用4×4相控阵满功率照射透射阵，实现±15°的扫描范围；但由于其透射阵的多层结构以及馈源的满阵排布，需要16个TR通道数量来实现波束扫描，成本高昂。

因此，如何基于相控阵天线和透镜天线设计天线，使得天线在工作扫描过程中等效全向辐射功率（EIRP）不发生骤变，且具有高增益、低剖面、低成本的优势，就成为目前的研究热点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线。该天线将球面龙伯透镜天线通过光学变换压缩为平面结构，再利用优化算法优化出与平面透镜结构相匹配的大间距稀布馈电阵列，使得天线在确定稀疏布局后，天线工作过程中在不同扫描角度下激励幅度不发生变化；同时，天线还具有高增益、低剖面、低成本的优势，是有较强的工程实用性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，包括圆柱形平面透镜、馈源天线、支撑单元；