高增益金屬透鏡天線設計

何 飛，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

高增益金屬透鏡天線設計

何 飛，陳 星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

金屬透鏡天線具有高增益和大功率容量等優點。采用幾何光學原理將一組平行間隔的金屬板設計為金屬凹透鏡，實現對電磁波的匯聚，獲得高增益輻射特性。在輻射原理和結構分析基礎上，設計了一款工作于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。仿真和測試結果吻合良好，表明該金屬透鏡天線性能優異：|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；幾何光學

0 引言

無線通信[1]、雷達[2]和電子對抗[3]等領域的快速發展，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]效應實現高增益。透鏡天線根據透鏡材料的不同，可分為介質透鏡天線[10]和金屬透鏡天線。相對于介質透鏡天線，金屬透鏡天線可設計為全金屬結構，具有損耗小、功率容量高[11]等優勢，但設計更為復雜。文獻[12]設計的工作于高溫環境中的金屬透鏡天線增益為19 dBi，文獻[13]設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構都是根據初級饋源天線的尺寸和遠場輻射特性進行設計，初級饋源天線改變時，金屬透鏡的結構也需要重新設計。

為了減少初級饋源天線尺寸和輻射特性對金屬透鏡結構的限制，本文根據金屬透鏡對電磁波作用的基本理論，采用幾何光學[14]中薄透鏡焦距公式設計金屬透鏡的結構，設計了一款工作在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 金屬透鏡天線設計

1.1 工作原理和結構

金屬透鏡天線的基本結構如圖1所示，由初級饋源天線和金屬透鏡組成。

(a) 主視圖

(b) 側視圖圖1 金屬透鏡天線基本結構

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[15]中傳播。其中，電磁波在平行金屬板波導中單模傳輸[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)可以發現，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，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]根據喇叭天線的尺寸和遠場輻射特性設計金屬透鏡的的結構，但喇叭天線改變時，金屬透鏡的結構也需要重新設計。根據文獻[21-22]，可以利用幾何光學中透鏡的焦距公式設計金屬透鏡的結構，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滿足：

(3)

式中，f為透鏡的焦距；R1和R2為透鏡前后兩側的曲率半徑。

1.2 設計仿真與分析

本文設計了工作在10 GHz的金屬透鏡天線，以矩形喇叭天線作為初級饋源天線，其結構示意圖如圖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。本文設計中，金屬透鏡前后兩側的曲率半徑R1和R2相等，通過式(3)得R1和R2的值約為220 mm。

圖2 金屬透鏡天線結構示意

利用電磁仿真軟件CST對設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個波長的區域。對比圖3(a)和圖3(b)可以發現，當無金屬透鏡結構時，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散。有金屬透鏡結構時，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，本文設計的金屬透鏡天線具有優異的性能。

圖6 仿真和實測方向圖

3 結束語

基于平行金屬板對電磁波的加速效應，采用幾何光學原理，本文設計、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。仿真和測試結果表明，本文設計的金屬透鏡結構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。

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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

國家自然科學基金委員會—中國工程物理研究院聯合基金資助項目(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：天線設計、電磁能量捕獲。

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