一種基于超材料的寬帶平面透鏡天線

海軍研究院空中所 趙海波

石家莊信息工程職業(yè)學院 常雅麗

0.引言

透鏡天線是一種透射式聚集的微波天線[1,2]。相比于反射式天線，透鏡天線的遮擋效應小，天線旁瓣特性好，天線口面效率高。透鏡天線種類較多，常見的透鏡天線有雙曲型透鏡、菲涅爾透鏡、龍伯透鏡和金屬加速透鏡。介質(zhì)材料在透鏡天線中具有廣泛應用，其作用是調(diào)節(jié)透鏡波傳播相位的作用，從而將自由空間的平面電磁波匯聚到透鏡天線的饋源喇叭中。

超材料是一種由人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元周期排列而成的等效介質(zhì)，它可以實現(xiàn)自然材料不具有的電磁響應[3]。將超材料思想引入微波天線和微波器件設(shè)計，可以顯著提高天線和微波器件的性能指標[4]。

本文設(shè)計了一種基于超材料技術(shù)的寬帶平面透鏡天線，工作于K頻段。這種新型透鏡天線不僅能夠有效地減小透鏡與空氣交界面處的能量反射，還可能將透鏡外形由曲面變換為平面。本文的研究結(jié)果表明，超材料透鏡天線具有寬帶、低旁瓣和高效率的優(yōu)點。

圖1 超材料透鏡天線的系統(tǒng)組成

1.天線系統(tǒng)組成和工作原理

本文設(shè)計的透鏡天線組成如圖1所示。該天線系統(tǒng)包含饋源和超材料透鏡面兩大部分。饋源采用波紋喇叭進行饋電。透鏡面包含中心區(qū)域的移相層和兩側(cè)的匹配層。移相層的主要作用是調(diào)節(jié)電磁波的透鏡相位。匹配層的主要作用是改善界面的匹配特性，從而減小界面處的電磁波反射，提高天線的效率。

一般的透鏡外形為曲面，而采用超材料技術(shù)的透鏡天線，可以通過等效介電常數(shù)的變化實現(xiàn)相位調(diào)整，而透鏡外形保持為平面結(jié)構(gòu)。相比曲面透鏡，平面透鏡具有加工工藝簡單和系統(tǒng)緊湊的優(yōu)點。

2.饋源設(shè)計

透鏡天線的饋源作為天線系統(tǒng)的重要組成部分，其輻射波束需要具有良好的旋轉(zhuǎn)對稱性和低交叉極化特性。本文采用經(jīng)典的波紋喇叭設(shè)計方法，通過波紋槽加載，在喇叭內(nèi)部獲得了混合平衡模式，得到了性能優(yōu)良的喇叭饋源[5]。該饋源在22GHz的輻射方向圖如圖2所示。在照射角范圍內(nèi)波束等化特性好，交叉極化低于-39dB。

圖2 饋源輻射方向圖

3.透鏡天線設(shè)計

本文設(shè)計的透鏡天線包含移相層和匹配層兩部分。其中匹配層的電厚度是1/4工作波長，其介電常數(shù)值是空氣介電常數(shù)和移相層介電常數(shù)的幾何平均值。

圖3給出了加載匹配層后界面處的反射系數(shù)S11和透射系數(shù)S21。明顯可見，加載匹配層顯著改善了能量透射率，減小了透鏡面的透射插損。

圖3 透鏡界面的反射和透射系數(shù)

根據(jù)透鏡天線的聚集原理可知，平板透鏡天線的等效介電常數(shù)是環(huán)形圓對稱分布的。在平板透鏡天線的不同半徑位置，所需要的透射波移相值是不同的。具體的移相值決定于饋源相位中心與透鏡表面的距離關(guān)系。

這里根據(jù)不同半徑位置的移相值需求，設(shè)計得到了最終的超材料透鏡結(jié)構(gòu)。該透鏡直徑為140mm，焦距為102mm，共包含三層超材料介質(zhì)層。前后兩層為匹配層，選用的介質(zhì)基材介電常數(shù)為3.5；中間層為移相層，選用的介質(zhì)基材介電常數(shù)為10.0。移相層和匹配層準周期性地排布了大量的空氣通孔結(jié)構(gòu)?？諝饪捉Y(jié)構(gòu)采用三角形布陣，這是因為三角形布陣具有更好的各向同性。超材料透鏡的最終模型如圖4所示。

圖4 超材料平板透鏡天線模型

接下來，將波紋喇叭饋源和超材料透鏡面進行了聯(lián)合全波仿真，并得到了天線系統(tǒng)的各項輻射性能。

該透鏡天線在22GHz的輻射方向圖如圖5所示。天線的增益為26.9dBi，后瓣電平為-29.5dB，天線口面效率達到47%。

這里需要強調(diào)的是，本文設(shè)計的透鏡天線具有寬帶特性。這是由兩方面因素決定的，一方面，匹配層設(shè)計具有寬帶特性；另一方面，移相層和匹配層的聯(lián)合設(shè)計具有寬帶特性。

圖5

4.結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型的平面透鏡天線系統(tǒng)。其中，平面透鏡采用超材料思想進行設(shè)計，它包含移相層和匹配層兩部分。本文設(shè)計的透鏡天線為平板形狀，其介電常數(shù)是沿半徑方向梯度漸變的。介電常數(shù)的變化是通過空氣孔直徑的變化實現(xiàn)。

對透鏡天線和饋源聯(lián)合仿真的計算結(jié)果表明，該透鏡天線能夠在較寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的輻射。由于采用了超材料匹配層，電磁波在空氣和透鏡表面的反射系數(shù)小，天線后瓣顯著下降，天線效率明顯提高。