基于平面介質(zhì)透鏡的平板波導(dǎo)cts天線寬頻帶饋電線源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線及饋源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過平面介質(zhì)透鏡將H面喇叭產(chǎn)生的柱面波前轉(zhuǎn)換為平面波前并輸出的寬頻帶線源，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板波導(dǎo)CTS天線的饋電。
【背景技術(shù)】
[0002]在通信應(yīng)用領(lǐng)域，具有寬頻帶、低剖面的高性能天線一直是天線設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。尤其是對(duì)星載天線而言，寬頻帶可以使天線工作在多個(gè)頻段，實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)用；低剖面可以大幅降低衛(wèi)星發(fā)射成本。因此，提出一種能夠運(yùn)用于寬帶通信領(lǐng)域的低成本高性能天線是一項(xiàng)很重要的任務(wù)，期望的特性包括:寬頻帶，低機(jī)械輪廓，高效率，重量輕，低副瓣以及低成本、易維護(hù)等。CTS(Continue Transverse Stub，連續(xù)橫向枝節(jié))陣列天線具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、帶寬較寬、輻射效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信及各種雷達(dá)系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力。
[0003]平板波導(dǎo)CTS天線最早由美國休斯公司(Hughes Aircraft Company)于1990年發(fā)明。平板波導(dǎo)CTS天線的主要工作機(jī)理是:在平板波導(dǎo)上開連續(xù)橫向短截線，沿著縱向傳播的準(zhǔn)T EM模式場被連續(xù)的橫向截?cái)喙?jié)所阻斷，并在橫向的截?cái)喙?jié)之間感應(yīng)出位移電流，該位移電流在橫向節(jié)周圍激勵(lì)起等效的電場，并福射電磁場。其波束寬度和副瓣電平可通過調(diào)整橫向節(jié)的位置分布進(jìn)行優(yōu)化和控制。
[0004]用于平板波導(dǎo)CTS天線饋電的線源，一方面對(duì)天線的匹配和駐波產(chǎn)生直接的影響；另一方面線源的幅度和相位特性對(duì)天線的輻射場增益、副瓣電平具有決定性影響。因此要得到良好的天線整體性能，線源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
[0005]理想的線源須具有如下條件:
[0006](I)線源提供的口徑場在寬頻帶上相位分布同相，幅度具有適當(dāng)?shù)腻F削分布，以滿足孔徑效率和副瓣電平的要求；
[0007](2)在寬頻帶上阻抗匹配性能良好；
[0008](3)結(jié)構(gòu)緊湊，且易于加工，成本較低。
[0009]能產(chǎn)生理想的幅度錐削分布和嚴(yán)格等相位輸出的線源在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有可工程實(shí)現(xiàn)的平板波導(dǎo)CTS天線饋電線源包括離散線源和連續(xù)線源兩類。其中離散線源是利用一系列離散分布的激勵(lì)源所產(chǎn)生的輻射場的疊加，在輸出口面構(gòu)造出所需的準(zhǔn)等相位場分布來形成線源。如波導(dǎo)口徑陣列，即利用等間距依次排列的波導(dǎo)口徑陣列輻射疊加形成線源。這種線源結(jié)構(gòu)需要加入寬帶功分器，不僅其結(jié)構(gòu)尺寸大，插入損耗變大，而且增大了寬帶設(shè)計(jì)的難度和成本。連續(xù)線源是利用某一激勵(lì)源結(jié)合輔助結(jié)構(gòu)在輸出口面產(chǎn)生連續(xù)不間斷的準(zhǔn)等相位空間場來形成饋電線源。如由H面喇叭結(jié)合拋物柱面或凸介質(zhì)透鏡構(gòu)成的饋電線源，通過拋物柱面或凸介質(zhì)透鏡，將H面喇叭產(chǎn)生的柱面波變換為平面波并輸出。但存在的缺陷是，采用拋物柱面需要較大的空間，不利于線源的小型化設(shè)計(jì)，且拋物柱面的加工和裝配要求也較高；采用凸介質(zhì)透鏡雖然可以使線源整體尺寸較小，且能夠滿足幾何光學(xué)要求，但在電磁波經(jīng)過空氣和凸介質(zhì)透鏡分界面時(shí)產(chǎn)生的反射比較嚴(yán)重，造成頻帶阻抗匹配差，且凸透鏡的曲面加工要求較高，裝配中也要求將透鏡焦點(diǎn)與喇叭的相位中心嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，這都給該類透鏡實(shí)際使用帶來很大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于平面介質(zhì)透鏡的平板波導(dǎo)CTS天線寬頻帶饋電線源，用于解決現(xiàn)有平板波導(dǎo)CTS天線饋電線源無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化、寬頻帶和良好匹配及加工裝配難度大的問題。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0012]基于平面介質(zhì)透鏡的平板波導(dǎo)CTS天線寬頻帶饋電線源，包括喇叭、透鏡和波導(dǎo)，所述喇叭采用H面喇叭1，透鏡采用平面介質(zhì)透鏡2，波導(dǎo)采用平板波導(dǎo)3 ;H面喇叭I的輸出端口與平板波導(dǎo)3相連，在平板波導(dǎo)3內(nèi)設(shè)置有平面介質(zhì)透鏡2 ;所述平面介質(zhì)透鏡2由中間層21和對(duì)稱于該中間層21的兩個(gè)匹配層22構(gòu)成，每個(gè)匹配層包括多個(gè)匹配子層，其中中間層21和多個(gè)匹配子層均采用由多個(gè)條帶形成的直線陣列結(jié)構(gòu)，中間層21和每個(gè)匹配層采用的多個(gè)條帶的介電常數(shù)不同；且各層從條帶直線陣列中間向兩端延伸，其條帶介電常數(shù)逐步降低，用于在寬頻帶上各個(gè)頻點(diǎn)調(diào)整電磁波穿過各個(gè)條帶時(shí)的相位延遲，從而形成等相位輸出。
[0013]上述基于平面介質(zhì)透鏡的平板波導(dǎo)CTS天線寬頻帶饋電線源，所述中間層21和多個(gè)匹配子層條帶直線陣列，其相同列上的條帶自中間層21向其兩側(cè)的多個(gè)匹配子層延伸，其介電常數(shù)依次降低，用于在寬頻帶上將電磁波經(jīng)過透鏡時(shí)因阻抗失配形成的反射控制在較小范圍。
[0014]上述基于平面介質(zhì)透鏡的平板波導(dǎo)CTS天線寬頻帶饋電線源，所述對(duì)稱于中間層21任意兩個(gè)匹配子層條帶直線陣列，相同列上條帶的介電常數(shù)相等。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、本發(fā)明的平面介質(zhì)透鏡由于中間層和多個(gè)匹配子層均采用由多個(gè)條帶形成的直線陣列結(jié)構(gòu)，中間層和每個(gè)匹配層采用的多個(gè)條帶的介電常數(shù)不同；且各層從條帶直線陣列中間向兩端延伸，其條帶介電常數(shù)逐步降低，當(dāng)電磁波穿過各個(gè)介質(zhì)條帶時(shí)，不同的相位延遲可以對(duì)波前相位進(jìn)行大范圍調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了柱面波到平面波的轉(zhuǎn)換；此結(jié)構(gòu)的平面介質(zhì)透鏡更適用于大張角喇叭的波前轉(zhuǎn)換，有利用產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆儒F削分布，在相同的口面尺寸要求下，大張角喇叭的長度較短，與現(xiàn)有的需要較大空間的拋物柱面相比，具有整體尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]2、本發(fā)明的平面介質(zhì)透鏡由于采用了由中間層和多個(gè)匹配子層條帶陣列構(gòu)成，其相同列上的條帶自中間層向其兩側(cè)的多個(gè)匹配子層延伸，其介電常數(shù)依次降低，在優(yōu)化過程中同步考慮包含匹配層在內(nèi)的透鏡在寬頻帶上的相位延遲和反射率，與現(xiàn)有技術(shù)中的凸介質(zhì)透鏡相比，本發(fā)明同步實(shí)現(xiàn)了寬頻帶上的相位延遲控制和寬帶匹配，實(shí)現(xiàn)了寬帶設(shè)計(jì)和良好的阻抗匹配。
[0018]3、本發(fā)明由于將柱面波轉(zhuǎn)換為平面波采用的是平面介質(zhì)透鏡，與現(xiàn)有技術(shù)采用的曲面介質(zhì)透鏡相比，顯著降低了加工和裝配難度。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的平面介質(zhì)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的平面介質(zhì)透鏡各層及每層條帶的相對(duì)介電常數(shù)分布圖；
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的電場分布仿真結(jié)果圖；
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的線源輸入端口電壓駐波比(VSWR)仿真曲線圖；
[0024]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的線源輸出端口在不同頻率時(shí)的相位曲線圖；
[0025]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的線源輸出端口在不同頻率時(shí)的幅度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。<