产生任意指向的贝塞尔波束的天线的制作方法

本发明属于电磁波波束成型领域，特别涉及一种产生任意指向的贝塞尔波束的天线。
背景技术：
：贝塞尔波束具有聚束传播的特性，能以无衍射方式传播相当一段距离。电磁波的空间聚束传播有着十分重要的应用，在电磁能无线传输、thz频段空间波导、近场探测雷达、微波医疗器械、高精度微波测量乃至空间太阳能的地-空输能等领域都需要电磁波的空间聚束特性。贝塞尔波束在光学领域和微波毫米波电磁场领域已有广泛而深入的研究，可以通过轴棱锥透镜、全息成像、漏波天线等形式产生贝塞尔波束。但是，已有的贝塞尔波束天线的波束指向都垂直于天线口径面，不能实现波束指向的控制与扫描，大大限制了贝塞尔波束的应用场景。如公开号为cn104466424a、cn105609965a和cn105846106a的专利文献中公开的三种不同类型的贝塞尔波束生成装置，它们产生的波束都垂直于装置表面，不能实现波束指向的控制与扫描。因此，设计一种全新的结构简单，效率较高，波束可倾斜且指向可控的新型贝塞尔波束生成装置具有十分重要的意义。技术实现要素：本发明的目的是针对
背景技术：
的不足之处，提供一种产生任意指向贝塞尔波束的天线，具有结构简单、加工成本低、波束指向可控、聚束效率高、应用频带高的优点。为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：一种产生任意指向的贝塞尔波束的天线，包括聚束平面和馈电喇叭，馈电喇叭正对聚束平面的中心；所述聚束平面为具有聚束功能的双层介质基板结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层、高频介质基板下层、印刷电路中层、高频介质基板上层、印刷电路上层，整个聚束平面被网格划分成周期性排列的聚束单元，每个聚束单元由中心位于同一纵轴线上的印刷电路上、中、下三层金属贴片以及高频介质基板下层、高频介质基板上层组成，聚束单元是具有电磁波移相功能的基本单元。从工作原理上讲，聚束单元等效为有聚束效应的低通滤波移相器，通过设置聚束平面上每个聚束单元内三层金属片的大小，可在聚束平面的任意位置可实现0度、-90度、-180度、-270度的插入相移，进而在馈电喇叭的照射下，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成贝塞尔波束。作为优选方式，聚束平面划分的网格内理想移相量由式(1)～(4)可得：其中，d为馈电喇叭的相位中心与聚束平面中心的距离，x和y为每一个网格的中心点的坐标，坐标轴如图3所示，是每一个网格的中心点与聚束平面中心的距离，为划分的每个网格内聚束单元的理想移相量，f为工作频率，c为自由空间光速，l为贝塞尔波束的无衍射距离，θ为波束与聚束平面间的夹角；r为聚束平面的半径，mod为取余函数。根据每个聚束单元所在网格中心位置(x,y)的不同，根据上述公式(1)-(4)计算出聚束平面上每个单元的理想移相量，再根据该理想移相量选择聚束单元，布局在聚束平面上，至此，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成聚束的无衍射电磁波。聚束的无衍射电磁波的波束指向由公式中的θ确定，在设计中改变θ的值可实现不同指向的聚束电磁波；聚束电磁波的聚束范围由公式中变量l确定，在设计中改变l的值可实现不同景深(聚束范围)的聚束电磁波。介质基板应选择损耗小，介电常数较低，高频性能稳定的板材。作为优选方式，不同移相幅度对应的聚束单元内金属贴片的大小通过周期边界条件在全波仿真软件中得到。作为优选方式，所述网格为矩形或六边形；当为矩形时所述聚束单元为方阵状网格排列，当为六边形时所述聚束单元为蜂窝状网格排列。这两种网格形式各有优点：网格和金属贴片为矩形，则馈电喇叭在发射水平和垂直极化波时可分别生成不同景深和波瓣宽度的贝塞尔波束；网格和金属贴片为六边形，则提高了出射场的轴对称性，能够在一定程度上提高贝塞尔波束的生成效率。作为优选方式，在每个聚束单元内，印刷电路下层金属贴片和印刷电路上层金属贴片的尺寸相同。作为优选方式，所述对馈电喇叭为线极化、圆极化或多极化喇叭。将角锥喇叭改为圆锥喇叭，可提高生成贝塞尔波束的轴对称性；将线极化喇叭改为圆极化或椭圆极化喇叭，可对应生成圆极化或椭圆极化的贝塞尔波束。作为优选方式，在聚束平面的后方设有第二聚束平面，第二聚束平面和聚束平面结构相同，两块聚束平面共轴层叠放置，通过旋转改变两块聚束平面的相对角度，实现波束指向角θ的扫描。作为优选改进型，聚束平面和第二聚束平面结构相同，差别仅在于第二聚束平面上印刷电路下层、印刷电路中层及印刷电路上层的聚束单元分布不同；第二聚束平面划分的网格内理想移相量由下式得到：其中，x和y为每一个网格的中心点的坐标，是每一个网格的中心点与聚束平面中心的距离，为划分的每个网格内聚束单元的理想移相量，f为工作频率，c为自由空间光速，l为贝塞尔波束的无衍射距离，θ控制波束扫描角的范围；θ/2约为波束在扫描过程中与聚束表面间夹角的最小值，r为聚束平面的半径，mod为取余函数；由此，根据每个聚束单元所在网格位置(x,y)的不同，根据上述公式(5)-(8)计算出第二聚束平面上每个单元的理想移相量，再根据该理想移相量选择合适大小的聚束单元，布局在第二聚束平面上；得到第二聚束平面的最终设计结构。波束扫描依靠旋转聚束平面和第二聚束平面来实现，改变旋转角α可沿x轴生成不同倾斜角β的准无衍射波束，如图6和图8所示。其中，旋转角α与波束的倾斜角β的对应关系如表一所示。表一旋转角α与波束的倾斜角β的对应关系α90°75°60°45°30°15°0°β0°15°30°45°53°62°65°本发明与现有技术相比，具有以下优点：1、本发明采用聚束平面技术，仅采用普通pcb工艺，聚束平面均仅厚约1毫米，重量较普通透镜的实现形式下降90％以上；2、无衍射波束可实现俯仰角-65°～65°，方位角0°～360°任意指向扫描，波束景深可自由设定；3、在实现效果上，由于聚束平面厚度极薄，介质损耗几乎可以忽略不计；4、成熟的pcb工艺较透镜能够实现更高的加工精度，较现有技术可适用于更高频段，能够避免机械加工引入的较大加工误差，是一种适合大批量生产的低成本解决方案；对微波特别是毫米波频段的贝塞尔波束实现具有独特优势；5、本发明与口面生成法下的各种贝塞尔波束天线相比，结构更为简单，无需复杂的馈电结构，避免了传输及失配损耗；6、本发明改进型中两块聚束平面向相反方向旋转相同的角度，故仅需一个驱动电机配合一个反向器即可实现波束指向的扫描。附图说明图1为本发明天线的侧视示意图；图2为本发明聚束平面的侧视示意图；图3为本发明聚束平面的主视图；图4为本发明聚束平面上聚束单元的主视图；图5为本发明实施例2的天线的侧视示意图；图6为本发明实施例2的天线聚束平面和第二聚束平面相对旋转位置的示意图；图7为本发明第二聚束平面的主视图；图8为本发明聚束波束的指向示意图，它与图6应用同一坐标系。图9为实施例1的无衍射聚束波束效果图。图10为实施例2的可扫描无衍射聚束波束效果图。各效果图对应的参数如下：图10-1为α＝90°，β＝0°，图10-2为α＝75°，β＝15°，图10-3为α＝60°，β＝30°，图10-4为α＝45°，β＝45°，图10-5为α＝30°，β＝53°，图10-6为α＝15°，β＝62°，图10-7为α＝0°，β＝65°；其中α为聚束平面和馈电喇叭之间的相对旋转角，β为对应生成波束的倾斜角。图11为实施例3的聚束平面上的网格为矩形时的示意图。其中，1为聚束平面，2为馈电喇叭，3为第二聚束平面，12为印刷电路上层，111为高频介质基板上层，13为印刷电路中层，112为高频介质基板下层，14为印刷电路下层，121为印刷电路上层金属贴片，131为印刷电路中层金属贴片、141为印刷电路下层金属贴片，15为所划分的网格。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。实施例1一种产生任意指向的贝塞尔波束的天线，包括聚束平面1和馈电喇叭2，馈电喇叭2正对聚束平面1的中心，如图1所示；聚束平面1将从馈电喇叭2发出的准球面波变换为无衍射聚束波束(贝塞尔波束)。所述聚束平面1为具有聚束功能的双层介质基板结构，如图2所示，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层14、高频介质基板下层112、印刷电路中层13、高频介质基板上层111、印刷电路上层12；其中高频介质基板下层112、高频介质基板上层111均为直径是200毫米的圆形基板，且采用多层印刷电路板工艺紧密贴合，两者介电常数均为2.2，厚度均为0.508毫米；整个聚束平面被网格划分成周期性排列的聚束单元，本实施例中网格15为边长为2毫米的正六边形网格，网格的划分是便于聚束单元的排布，并不实际出现，所述六边形聚束单元在蜂窝状网格内依次排列。每一网格的正中均设置正六边形金属贴片121、131、141，每个聚束单元由中心位于同一纵轴线上的印刷电路上、中、下三层金属贴片121、131、141以及高频介质基板下层112、高频介质基板上层111组成，聚束单元是具有电磁波移相功能的基本单元，其中印刷电路下层金属贴片141和印刷电路上层金属贴片121尺寸相同。金属贴片是采用多层印刷电路板技术将介质基板原表面铜皮腐蚀后的剩余部分，如图3所示。这些金属贴片均位于每一个划分的正六边形网格的中心且其边与正六边形网格平行，如图4所示；通过设计各聚束单元三层金属贴片的尺寸(边长)，即可实现0度、-90度、-180度、-270度的电磁波相移。从工作原理上讲，聚束单元等效为有聚束效应的低通滤波移相器，通过设置聚束平面上每个聚束单元内三层金属片的大小，可在聚束平面的任意位置可实现0度、-90度、-180度、-270度的插入相移，进而在馈电喇叭的照射下，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成贝塞尔波束。本实例中，聚束平面半径r为100毫米，工作频率f为29ghz，自由空间光速c为3×108米/秒，高频介质基板上层111和高频介质基板下层112为taconictly-5介质板，相对介电常数εr为2.2，厚度为0.508mm；馈电喇叭2为普通标准角锥喇叭，其-10db波瓣宽度为60度，馈电喇叭2的相位中心与聚束平面中心的距离d为173毫米；本实例聚束波束设计聚束长度zmax为850毫米，波束与聚束表面间的夹角θ为60°，则与介质基板中心的距离为ρ的聚束单元的理想移相量为：其中，d为馈电喇叭的相位中心与聚束平面中心的距离，x和y为每一个网格的中心点的坐标，坐标轴如图3所示，是每一个网格的中心点与聚束平面中心的距离，为划分的每个网格内聚束单元的理想移相量，f为工作频率，c为自由空间光速，l为贝塞尔波束的无衍射距离，θ为波束与聚束平面1间的夹角；r为聚束平面1的半径，mod为取余函数。根据每个聚束单元所在网格中心位置(x,y)的不同，根据上述公式(1)-(4)计算出聚束平面1上每个单元的理想移相量，再根据该理想移相量选择聚束单元，布局在聚束平面1上，至此，在聚束平面1的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成聚束的无衍射电磁波。聚束的无衍射电磁波的波束指向由公式中的θ确定，在设计中改变θ的值可实现不同指向的聚束电磁波；聚束电磁波的聚束范围由公式中变量l确定，在设计中改变l的值可实现不同景深(聚束范围)的聚束电磁波。介质基板应选择损耗小，介电常数较低，高频性能稳定的板材。该理想移相量为每个位置与聚束平面中心位置的理论相差，为了尽量提高聚束效率，将移相量为-270度的单元置于阵面的中心，则本实施例中实际移相量为：其中int为向下取整函数；通过改变每个网格内三层金属贴片的边长，即可满足贝塞尔波束在聚束平面出射表面的相位需求；四种移相幅度对应的金属贴片的大小通过周期边界条件在ansyshfss全波仿真软件中得到；在本实施实例中，移相量与金属贴片边长的关系为：由此，即可完成聚束平面的设计，再在平面的左侧应用增益为12.5db、-10db波瓣宽度为60度的线极化角锥喇叭2馈电，喇叭正对聚束平面的中心，如图1所示，即可在平面的右侧生成线极化贝塞尔波束。图9所示为采用本发明产生的贝塞尔波束电场强度纵截面效果图，由图中可见，电磁波场强分布在传播轴线上呈束状，沿波束指向角θ为60°的轴线传播，场强基本保持不变，说明聚束性能良好，达到设计预期。实施例2实施例1的波束指向角θ(即波束指向与聚束平面间的夹角)在设计天线时就预先确定了，不能实现指向角θ的任意改变和扫描，本实施例在聚束平面1的后方增加一块第二聚束平面3，第二聚束平面3和聚束平面1结构相同，两块聚束平面共轴层叠放置，通过旋转改变两块聚束平面的相对角度，实现波束指向角θ的扫描。聚束平面1和第二聚束平面3结构相同，差别仅在于第二聚束平面3上印刷电路下层14、印刷电路中层13及印刷电路上层12的聚束单元分布不同；第二聚束平面3划分的网格内理想移相量由下式得到：其中，x和y为每一个网格的中心点的坐标，坐标轴如图3所示，是每一个网格的中心点与聚束平面中心的距离，为划分的每个网格内聚束单元的理想移相量，f为工作频率，c为自由空间光速，l为贝塞尔波束的无衍射距离，θ控制波束的扫描范围，θ/2约为波束在扫描过程中与聚束表面间夹角的最小值，波束倾斜角β(如图8所示)的扫描范围约为0°～(90°-θ/2)；r为聚束平面1的半径，mod为取余函数；由此，根据每个聚束单元所在网格位置(x,y)的不同，由上述公式(5)-(8)计算出第二聚束平面3上每个单元的理想移相量，再根据该理想移相量选择合适大小的聚束单元，布局在第二聚束平面3上，即可得到第二聚束平面3的最终结构。波束扫描依靠旋转聚束平面1和第二聚束平面3来实现，改变旋转角α可沿x轴生成具有不同倾斜角β的准无衍射波束，如图6所示。其中，旋转角α与波束的倾斜角β的对应关系如表一所示。表一旋转角α与波束的倾斜角β的对应关系α90°75°60°45°30°15°0°β0°15°30°45°53°62°65°图10所示为本实例产生的贝塞尔波束电场强度纵截面效果图，由图中可见，电磁波场强分布在传播轴线上呈束状，随着旋转角α的变化，波束指向角θ在0°～65°范围内变化，实现了波束指向的上半空间大范围扫描，达到设计预期。实施例3在实施例1和实施例2的基础上，将聚束平面上的正六边形网格改为矩形，上层、中层及下层金属贴片121、131和141同样改为矩形，则馈电喇叭2在发射水平和垂直极化波时可分别生成不同景深和波瓣宽度的贝塞尔波束，还可简化结构降低成本，应用于对成本控制要求较高的场合。实施例4在实施例1的基础上，线极化角锥喇叭2替换为线极化、圆极化或椭圆极化角锥喇叭或圆锥喇叭。将角锥喇叭改为圆锥喇叭，可提高生成贝塞尔波束的轴对称性；将线极化喇叭改为圆极化或椭圆极化喇叭，可生成圆极化或椭圆极化的贝塞尔波束。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12