何 飛，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

高增益金屬透鏡天線設(shè)計

何 飛，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

金屬透鏡天線具有高增益和大功率容量等優(yōu)點。采用幾何光學(xué)原理將一組平行間隔的金屬板設(shè)計為金屬凹透鏡，實現(xiàn)對電磁波的匯聚，獲得高增益輻射特性。在輻射原理和結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款工作于X波段(10 GHz)的金屬透鏡天線，采用矩形喇叭天線作為初級饋源、13片金屬板嵌于一只半徑為153 mm的PVC筒頂部。仿真和測試結(jié)果吻合良好，表明該金屬透鏡天線性能優(yōu)異：|S11|<-10 dB阻抗帶寬為18%(從9.6～11.5 GHz)，在10 GHz工作頻點的增益達到27 dBi，相比喇叭天線提高了10.2 dB。

增益；金屬透鏡；金屬波導(dǎo)；幾何光學(xué)

0 引言

無線通信[1]、雷達[2]和電子對抗[3]等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高增益天線[4]的要求日益增長。拋物面天線[5]、微帶陣列天線[6]和諧振腔天線[7]等一系列具有高增益特性的天線類型已成為研究熱點。作為一類常用高增益天線，透鏡天線[8]由初級饋源天線和透鏡2部分組成，通過透鏡對初級饋源天線輻射電磁波的聚焦[9]效應(yīng)實現(xiàn)高增益。透鏡天線根據(jù)透鏡材料的不同，可分為介質(zhì)透鏡天線[10]和金屬透鏡天線。相對于介質(zhì)透鏡天線，金屬透鏡天線可設(shè)計為全金屬結(jié)構(gòu)，具有損耗小、功率容量高[11]等優(yōu)勢，但設(shè)計更為復(fù)雜。文獻[12]設(shè)計的工作于高溫環(huán)境中的金屬透鏡天線增益為19 dBi，文獻[13]設(shè)計的寬帶金屬透鏡天線的增益為26 dBi，但以上文獻中金屬透鏡的結(jié)構(gòu)都是根據(jù)初級饋源天線的尺寸和遠場輻射特性進行設(shè)計，初級饋源天線改變時，金屬透鏡的結(jié)構(gòu)也需要重新設(shè)計。

為了減少初級饋源天線尺寸和輻射特性對金屬透鏡結(jié)構(gòu)的限制，本文根據(jù)金屬透鏡對電磁波作用的基本理論，采用幾何光學(xué)[14]中薄透鏡焦距公式設(shè)計金屬透鏡的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款工作在10 GHz的高增益金屬透鏡天線。用電磁仿真軟件CST分析了金屬透鏡對電磁波的匯聚作用，并對天線進行了加工測試。

1 金屬透鏡天線設(shè)計

1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)

金屬透鏡天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由初級饋源天線和金屬透鏡組成。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖圖1 金屬透鏡天線基本結(jié)構(gòu)

金屬透鏡由多個等間隔的平行金屬板組成，其間距為a。當平行金屬板間距a≥λ0/2(λ0是自由空間中的波長)時，電磁波在金屬板之間的傳輸可以視為在間距為a的平行金屬板波導(dǎo)[15]中傳播。其中，電磁波在平行金屬板波導(dǎo)中單模傳輸[16]的相速度可以表示為[17]：

(1)

式中，v0為自由空間中的波速。通過式(1)可以發(fā)現(xiàn)，此時電磁波的相速度比在自由空間快[18]，所以可以將多個等間隔平行金屬板等效為折射率[19]小于1的均勻材料，其折射率為：

(2)

由于平行金屬板對電磁波的加速效應(yīng)，初級饋源天線輻射的球面波通過金屬凹透鏡后變換為平面波，因聚焦匯聚作用使電磁能量更為集中，從而使天線獲得高增益特性。

透鏡天線的初級饋源天線一般為喇叭天線，文獻[12-13,20]根據(jù)喇叭天線的尺寸和遠場輻射特性設(shè)計金屬透鏡的的結(jié)構(gòu)，但喇叭天線改變時，金屬透鏡的結(jié)構(gòu)也需要重新設(shè)計。根據(jù)文獻[21-22]，可以利用幾何光學(xué)中透鏡的焦距公式設(shè)計金屬透鏡的結(jié)構(gòu)，對喇叭天線的依賴性較小。金屬透鏡的折射率、曲率半徑和透鏡焦距等參數(shù)滿足：

(3)

式中，f為透鏡的焦距；R1和R2為透鏡前后兩側(cè)的曲率半徑。

1.2 設(shè)計仿真與分析

本文設(shè)計了工作在10 GHz的金屬透鏡天線，以矩形喇叭天線作為初級饋源天線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。喇叭天線尺寸為84 mm×60 mm×143 mm，采用WR90矩形波導(dǎo)饋電，其增益為16.8 dBi。金屬透鏡由13個等間隔平行金屬板組成，當金屬板間距a為0.7λ0時，電磁波可以獲得最大傳輸功率[23]，所以本文將金屬板間距a設(shè)為21 mm，由式(2)得金屬透鏡的折射率n為0.7。將金屬透鏡置于喇叭天線的遠場分界處，則喇叭天線與金屬透鏡中心的距離f為370 mm。本文設(shè)計中，金屬透鏡前后兩側(cè)的曲率半徑R1和R2相等，通過式(3)得R1和R2的值約為220 mm。

圖2 金屬透鏡天線結(jié)構(gòu)示意

利用電磁仿真軟件CST對設(shè)計模型進行仿真分析。圖3(a)和圖3(b)分別給出了工作頻點10 GHz下，有無金屬透鏡時喇叭天線的電場分布，觀察范圍為喇叭天線前方28個波長的區(qū)域。對比圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，當無金屬透鏡結(jié)構(gòu)時，喇叭天線輻射電磁波的波陣面為弧形，即球面波，輻射的電磁能量比較發(fā)散。有金屬透鏡結(jié)構(gòu)時，輻射電磁波的波陣面近似為平面，傳輸方向垂直于天線口徑面，天線正前方區(qū)域的電場強度明顯大于無金屬透鏡時。因此，金屬透鏡對喇叭天線輻射電磁波起到了匯聚作用。

(a) 無金屬透鏡時

(b) 有金屬透鏡時圖3 喇叭天線電場分布

2 天線測試結(jié)果與分析

加工制作時，采用了一只半徑153 mm的PVC圓筒制作天線外殼，對PVC圓筒頂部開縫，將13張金屬板插入縫隙中，組裝成為金屬透鏡。喇叭天線安裝于PVC筒尾部，如圖4所示。

圖4 金屬透鏡天線照片

金屬透鏡天線的仿真和測試|S11|曲線如圖5所示?？梢钥吹?，仿真和測試值吻合良好，該天線的|S11|<-10 dB,阻抗帶寬為18%(9.6～11.5 GHz)。

圖5 仿真與測試的|S11|曲線

金屬透鏡天線在10 GHz頻率下的E面和H面輻射方向圖如圖6所示，實測值與仿真值吻合良好。該金屬透鏡天線的增益為27 dBi，相比喇叭天線提高了10.2 dB。天線主旁瓣比為19 dB，交叉極化大于18.6 dB。相對于其他同類型的天線，本文設(shè)計的金屬透鏡天線具有優(yōu)異的性能。

圖6 仿真和實測方向圖

3 結(jié)束語

基于平行金屬板對電磁波的加速效應(yīng)，采用幾何光學(xué)原理，本文設(shè)計、加工并測試了一款高增益的金屬透鏡天線。該天線采用增益為16.8 dBi的矩形喇叭天線作為初級饋源天線，將一組金屬板平行、等間距地嵌入一只PVC圓筒中，組裝為金屬凹透鏡。仿真和測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的金屬透鏡結(jié)構(gòu)可以有效地對電磁波起到匯聚作用，從而使天線具有良好的高增益輻射性能，其|S11|<-10 dB的相對阻抗帶寬為18%，在工作頻點10 GHz處的增益達到了27 dBi，天線的主旁瓣比為19 dB，交叉極化比大于18.6 dB。

[1] 吳維農(nóng)，杜海波，袁 野，等.輸電線路無人機巡檢實時通信技術(shù)研究[J].中國電力,2016,49(10):111-113.

[2] 趙 琳,遲永鋼,李紅梅.可用于生命探測雷達的TEM喇叭天線設(shè)計[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,45(5):35-39.

[3] 孫永志,王偉光,孫建慶,等.一種新型平板高增益天線[J].航天電子對抗,2013,29(1):42-44.

[4] 丁 友,李民權(quán),彭 猛,等.一種新型的雙頻高增益天線設(shè)計[J].電子與信息學(xué)報,2014,36(7):1 771-1 774.[5] 王耀琦.高增益、寬頻帶、低旁瓣拋物面天線的設(shè)計[J].甘肅科技,2004,20(4):51-53.

[6] 鄧淑英.X波段低損耗高增益微帶陣列天線設(shè)計[J].通信設(shè)備,2006(17):76-80.

[7] AKBARI M,GUPTA S,SEBAK A R.High Gain Circularly-Polarized Fabry-Perot Dielectric Resonator Antenna for MMW Applications[C]∥2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation(APSURSI).IEEE Conference Publications,2016:545-546.

[8] JIANG Mei,CHEN Zhi-ning,ZHANG Yan,et al.Metamaterial-based Thin Planar Lens Antenna for Spatial Beamforming and Multibeam Massive MIMO[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2017,65(2):464-472.

[9] 唐劍明,趙 青,鄭 靈,等.3mm圓錐喇叭聚焦天線的理論與仿真[J].強激光與粒子束,2012,24(2):436-440.

[10] LEE H,LEE J,CHOIA J.Corrugated Horn Antenna with a Dielectric Lens for High Gain Performance[C]∥International Symposium on Antennas and Propagation.IEEE Conference Publications,2015:1-2.

[11] 楊一明,袁成衛(wèi),錢寶良.波導(dǎo)縫隙陣列天線高功率微波應(yīng)用探索[J].強激光與粒子束,2013,25(10):2 648-2 652.

[12] GUO Gao-feng;ZHANG Yun-peng;LI En.Design of the Spot-focusing Metal Plate Lens Antenna for High-temperature Measurement[C]∥IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting,2015:953-954.

[13] KAMIYA N,YASUZUMI T,SUGA R,et al.Positional Dependence on Primary Radiator of Metal Plate Lens Antenna[C]∥Proceedings of APMC,IEEE Conference Publications,2012:1 010-1 012.

[14] 劉雪明,廖 成,馮 菊,等.高功率超寬帶變壓器油透鏡天線設(shè)計與仿真[J].強激光與粒子束,2014,26(8):195-199.

[15] 何雅蘭,何金龍,劉平安.低損耗太赫茲鍍膜金屬波導(dǎo)研究[J].紅外與激光工程,2013,42(6):1 533-1 536.

[16] 楊 銳,謝擁軍,王元源,等.SRR異向介質(zhì)特性研究及其在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009,24(1):29-38.

[17] KOCK W E.Metal-lens Antennas[J].Proceedings of the IRE and Waves and Electrons,1946,34(1):828-836.

[18] KRAUS J D.天線(下冊)(第3版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[19] 何曉陽,王 軍,李 彪,等.折射率漸變透鏡的數(shù)值設(shè)計[J].強激光與粒子束,2012,24(2):428-430.

[20] FELIC G K,SKAFIDAS E,EVANS R.Metal Plate Lens Antenna forAuomotive Radar at mm-Wave Frequencies[C]∥2012 6th European Conference on Antennasand Propagation(EUCAP).IEEE Conference Publications,2012:2 321-2 323.

[21] KAMIYA N,YASUZUMI T,SUGA R,et al.Broadband Metal-Plate Lens with Short Focal Length[C]∥European Microwave Conference IEEE Conference Publications,2013：1 675-1 678.

[22] LAWRANCE J E,CHRISTODOULOU C G.A High-Power Microwave Zoom Antenna with Metal-Plate Lenses[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(8):3 380-3 389.

[23] 黃玉蘭.電磁場與微波技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2009.

Design of a High-gain Metal Lens Antenna

HE Fei,CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformation,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

Metal lens antennas have advantages such as high gain and large power capacity.Based on the principle of geometrical optics,the paper utilizes a set of parallel metal plates to assemble a metal concave lens,which focuses the incident electromagnetic wave,and thereby realizes the high-gain performance of antenna.Based on an analysis of antenna radiation principle and structure,a metal lens antenna operating at X-band(10 GHz)is designed.This antenna uses a rectangular horn antenna as its primary radiator,and 13 metal plates are inserted into the top of a PVC cylinder with a radius of 153 mm.The simulation and measurement results are in good conformity,and both of them show that this metal lens antenna has very good radiation performance.For example,the antenna’s |S11|<-10 dB impedance bandwidth is 18%(from 9.6 GHz to 11.5 GHz),and at its operating frequency of 10 GHz,its gain is up to 27 dBi,which is 10.2 dB higher in comparison with horn antenna.

gain;metal lens;metal waveguide;geometrical optics

2017-03-13

國家自然科學(xué)基金委員會—中國工程物理研究院聯(lián)合基金資助項目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.15

何 飛，陳 星.高增益金屬透鏡天線設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(6):61-64.[HE Fei,CHEN Xing.Design of a High-gain Metal Lens Antenna[J].Radio Engineering,2017,47(6):61-64.]

TN820.1

A

1003-3106(2017)06-0061-04

何 飛 女，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：天線設(shè)計、電磁能量捕獲。

陳 星 男，(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天線設(shè)計、并行計算、電磁場數(shù)值計算和微波成像等。