本發(fā)明涉及一種新型的寬帶低剖面介質(zhì)透鏡天線，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)小型化平面化天線的要求越來(lái)越高，而且對(duì)其增益要求也越來(lái)越高。毫米波時(shí)代的到來(lái)，天線的頻段資源變得越來(lái)越豐富，對(duì)于寬頻帶天線的需求也愈加緊迫。于是提出了通過(guò)在天線輻射方向添加部分輻射表面來(lái)以提高天線的增益的方法。

傳統(tǒng)的介質(zhì)透鏡天線在設(shè)計(jì)時(shí)存在下述兩個(gè)問(wèn)題：

1、傳統(tǒng)的介質(zhì)透鏡天線，阻抗帶寬，增益帶寬相對(duì)較窄，只能在很小的頻段上工作。

2、傳統(tǒng)的寬帶介質(zhì)透鏡天線的部分反射表面都是帶腔體的結(jié)構(gòu)，即兩層介質(zhì)板之間包含空氣層，這就使得天線剖面高度較高，而小型化又是今后天線發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高天線的帶寬，降低天線的剖面高度，本發(fā)明提出了一種新型的口徑耦合寬帶低剖面介質(zhì)透鏡天線，有效地提高了天線的阻抗帶寬、3db增益帶寬，且降低了剖面的高度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種新型的寬帶低剖面介質(zhì)透鏡天線，包括自上而下同軸放置的均為正方形的第一至第四介質(zhì)板，其中，第一、第二和第四介質(zhì)板的邊長(zhǎng)相等，第三介質(zhì)板的邊長(zhǎng)小于第一介質(zhì)板；第一介質(zhì)板堆疊在第二介質(zhì)板的上表面，構(gòu)成部分反射表面；第三介質(zhì)板為輻射介質(zhì)板，其與第二介質(zhì)板之間有一層空氣層；第四介質(zhì)板為底層饋電板，其與第三介質(zhì)板之間也有一層空氣層；底層饋電板的下表面設(shè)置有一條沿其一邊的中點(diǎn)向中心延伸的用于饋電的微帶線；上表面布滿金屬層作為接地板，該接地板的中心位置開(kāi)有一個(gè)矩形縫隙，以耦合微帶線傳遞的能量；輻射介質(zhì)板的下表面的中心處設(shè)置有第一方形金屬貼片；部分反射表面的上表面設(shè)置有周期性的第一周期單元，第一周期單元包括四個(gè)矩形金屬貼片和第二方形金屬貼片，矩形金屬貼片圍成一個(gè)正方形，第二方形金屬貼片設(shè)置在該正方形的中心處；部分反射表面的下表面設(shè)置有周期性的第二周期單元，第二周期單元為方環(huán)形金屬貼片；第一周期單元和第二周期單元的周期相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，部分反射表面的上下表面的周期單元未布滿介質(zhì)板表面，在介質(zhì)板的四周預(yù)留一圈介質(zhì)條帶。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板的厚度及材質(zhì)均不相同。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，矩形縫隙與用于饋電的微帶線垂直。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一周期單元與第二周期單元的中心重合。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一方形金屬貼片關(guān)于輻射介質(zhì)板的中心線對(duì)稱。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，微帶線的長(zhǎng)度大于底層饋電板邊長(zhǎng)的一半。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明中，輻射介質(zhì)板與底層饋電板之間有一層空氣層，即輻射板與饋電板之間沒(méi)有直接相接觸，通過(guò)空氣層，將從微帶線所饋得的能量耦合到輻射介質(zhì)板上的方形金屬貼片上，形成天線輻射，這種方式大大提高了天線的阻抗帶寬，提高了天線的輻射效率；

2、本發(fā)明中，通過(guò)新型部分反射表面的周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，部分反射表面在饋源工作頻段的反射相位隨頻率呈正斜率，滿足了透鏡天線諧振條件，大大提高了天線的增益帶寬；無(wú)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)天線的低剖面特性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的俯視圖和側(cè)視圖，其中，（a）是俯視圖，（b）是側(cè)視圖。

圖3是部分反射表面上層板俯視圖。

圖4是部分反射表面上層板仰視圖。

圖5是部分反射表面上的周期單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是輻射介質(zhì)板仰視圖。

圖7是饋電介質(zhì)板俯視圖。

圖8是饋電介質(zhì)板仰視圖。

圖9是天線的s參數(shù)仿真與實(shí)測(cè)圖。

圖10是天線的增益隨頻率仿真與實(shí)測(cè)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明提供一種由四層介質(zhì)板構(gòu)成的新型口徑耦合寬帶低剖面介質(zhì)透鏡天線，如圖1和圖2中（a）、（b）所示。四層介質(zhì)板為自上而下同軸放置的均為正方形的第一至第四介質(zhì)板，其中，第一、第二和第四介質(zhì)板的邊長(zhǎng)相等，第三介質(zhì)板的邊長(zhǎng)小于第一介質(zhì)板；第一介質(zhì)板堆疊在第二介質(zhì)板的上表面，構(gòu)成部分反射表面；第三介質(zhì)板為輻射介質(zhì)板，其與第二介質(zhì)板之間有一層空氣層；第四介質(zhì)板為底層饋電板，其與第三介質(zhì)板之間也有一層空氣層。

如圖3和圖4所示，部分反射表面的上、下表面（即第一介質(zhì)板的上表面和第二介質(zhì)板的下表面）均設(shè)置有周期性的周期單元。如圖5中的右部分所示，部分反射表面的上表面設(shè)置的周期單元包括四個(gè)矩形金屬貼片和第二方形金屬貼片，矩形金屬貼片圍成一個(gè)正方形，第二方形金屬貼片設(shè)置在該正方形的中心處；如圖5中的左部分所示，部分反射表面的下表面的周期單元為方環(huán)形金屬貼片；且，部分反射表面的上、下表面設(shè)置的周期單元的周期相同。部分反射表面的上、下表面設(shè)置的周期單元并未敷滿整個(gè)介質(zhì)板，在介質(zhì)板的四周留有部分介質(zhì)，用于后期打孔固定。部分反射面上下表面的金屬的形狀和大小都會(huì)影響其反射系數(shù)的幅度和相位，從而影響天線的性能。

如圖6所示，輻射介質(zhì)板的下表面的中心處設(shè)置有一個(gè)方形金屬貼片，該金屬貼片的邊長(zhǎng)決定了天線的工作頻段。之所以選擇方貼片主要是為了產(chǎn)生單一的線極化波，且能夠降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

如圖8所示，底層饋電板的下表面設(shè)置有一條沿其一邊的中點(diǎn)向中心延伸的用于饋電的微帶線，微帶線的長(zhǎng)度和寬度影響天線的輸入阻抗以及輻射方向。如圖7所示，底層饋電板的上表面布滿金屬層作為接地板，該接地板的中心位置開(kāi)有一個(gè)矩形縫隙，矩形縫隙的寬度和長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)天線輻射性能產(chǎn)生影響?？p隙的作用主要是耦合微帶線傳遞的能量，再通過(guò)輻射介質(zhì)板和底層饋電板之間的空氣層耦合到輻射介質(zhì)板上的方形金屬貼片產(chǎn)生輻射。

本發(fā)明中，底層饋電板由下表面的微帶線饋電到上表面的金屬接地板（gnd），在金屬接地板上開(kāi)有矩形縫隙，使得微帶線傳輸?shù)哪芰磕軌蚶^續(xù)向上層傳遞。由下往上第二層的輻射介質(zhì)板上印刷有用于輻射的方形金屬貼片，通過(guò)底層饋電板與輻射介質(zhì)板之間的空氣層耦合矩形縫隙所輻射的能量到達(dá)此輻射貼片，實(shí)現(xiàn)貼片的輻射。最上面的兩層厚度不同且材料也不同的介質(zhì)板疊加在一起形成一種新型的部分反射表面(prs)，該部分反射面的上下兩個(gè)面都印刷有周期性的周期單元。利用該周期表面結(jié)構(gòu)在不同頻段下反射幅度和相位的不同，再結(jié)合諧振腔理論確定腔體高度，可大大提高天線的增益。周期結(jié)構(gòu)的尺寸決定了天線能夠提高增益的工作頻段，以及決定了天線頂層板與底層板之間的距離，即天線的剖面高度。金屬層各項(xiàng)尺寸以及形狀的選擇也關(guān)系到，該部分反射表面能否滿足寬頻帶天線對(duì)于部分反射表面反射相位的要求。

本發(fā)明中，天線的饋源部分由底層饋電板和輻射介質(zhì)板所構(gòu)成，底層饋電板上表面的金屬接地板上的矩形縫隙與其上層的輻射介質(zhì)板上的方形貼片通過(guò)空氣層來(lái)耦合產(chǎn)生線極化波。新型的無(wú)腔部分反射表面由兩層帶介質(zhì)的頻率選擇表面所構(gòu)成，其反射相位隨頻率呈正斜率變化，與饋源天線配合最終可使得天線的3db增益帶寬大大提高。無(wú)腔的部分反射表面降低了諧振腔天線的剖面高度，使得天線實(shí)現(xiàn)了低剖面特性。另外，該新型部分反射表面的反射系數(shù)也優(yōu)于同等類型的表面，使得天線在工作頻段的增益也更加平穩(wěn)。

本發(fā)明通過(guò)口徑耦合的饋源天線與新型的部分反射表面(prs)相結(jié)合，天線的增益得到了顯著提高，且介質(zhì)透鏡天線的阻抗帶寬與增益帶寬也大大提高了，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶特性。另外，與傳統(tǒng)的同類型寬帶天線相比新型部分反射表面是一種無(wú)腔結(jié)構(gòu)，天線的高度得到了降低，實(shí)現(xiàn)了低剖面特性。最后，對(duì)比同類發(fā)現(xiàn)，部分反射表面的反射幅度也有所提高，使得天線在其工作頻段內(nèi)的增益也更加趨于穩(wěn)定。

本發(fā)明的實(shí)施例中，新型的口徑耦合寬帶低剖面介質(zhì)透鏡天線的底層饋電板和輻射介質(zhì)板的厚度均為0.508mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2。部分反射表面上下層介質(zhì)板的厚度分別為1.524mm和0.787，其相對(duì)介電常數(shù)分別為3.66和2.2。

部分反射表面的周期單元的周期為8mm，下表面的方環(huán)形金屬貼片的邊長(zhǎng)為5mm，上表面的方形金屬貼片的邊長(zhǎng)為4.4mm，上表面的方形金屬貼片四周的四個(gè)矩形金屬貼片的長(zhǎng)為6mm、寬為0.5mm；輻射介質(zhì)板下表面的方形輻射貼片的邊長(zhǎng)為7.2mm；底層饋電板上表面的矩形縫隙的長(zhǎng)、寬分別為6mm、1mm，下表面的微帶饋線的寬度為2.6mm、長(zhǎng)度為52.6mm。

利用三維電磁仿真軟件仿真的該天線（工作頻率13-15ghz），如圖9所示。天線的回波損耗在工作頻段內(nèi)達(dá)到了-10db以下，且相對(duì)帶寬得到了大大提高。天線在工作頻段3db增益帶寬如圖10所示，通過(guò)該設(shè)計(jì)得到了明顯提高。說(shuō)明了此設(shè)計(jì)具有良好的寬帶性能。從圖10中還可以看出，天線的增益在其工作頻段比較穩(wěn)定，沒(méi)有太大的起伏，天線的穩(wěn)定性得到了提高。

本發(fā)明是將口徑耦合線極化天線技術(shù)與透鏡天線技術(shù)相結(jié)合，利用新型部分反射表面的設(shè)計(jì)拓寬了天線的帶寬，提高了增益的穩(wěn)定性。雖然有四層層板，但天線整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，易于加工實(shí)現(xiàn)，具有一定的應(yīng)用前景。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。