高增益金属透镜天线设计

何 飞，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

高增益金属透镜天线设计

何 飞，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

金属透镜天线具有高增益和大功率容量等优点。采用几何光学原理将一组平行间隔的金属板设计为金属凹透镜，实现对电磁波的汇聚，获得高增益辐射特性。在辐射原理和结构分析基础上，设计了一款工作于X波段(10 GHz)的金属透镜天线，采用矩形喇叭天线作为初级馈源、13片金属板嵌于一只半径为153 mm的PVC筒顶部。仿真和测试结果吻合良好，表明该金属透镜天线性能优异：|S11|<-10 dB阻抗带宽为18%(从9.6～11.5 GHz)，在10 GHz工作频点的增益达到27 dBi，相比喇叭天线提高了10.2 dB。

增益；金属透镜；金属波导；几何光学

0 引言

无线通信[1]、雷达[2]和电子对抗[3]等领域的快速发展，对高增益天线[4]的要求日益增长。抛物面天线[5]、微带阵列天线[6]和谐振腔天线[7]等一系列具有高增益特性的天线类型已成为研究热点。作为一类常用高增益天线，透镜天线[8]由初级馈源天线和透镜2部分组成，通过透镜对初级馈源天线辐射电磁波的聚焦[9]效应实现高增益。透镜天线根据透镜材料的不同，可分为介质透镜天线[10]和金属透镜天线。相对于介质透镜天线，金属透镜天线可设计为全金属结构，具有损耗小、功率容量高[11]等优势，但设计更为复杂。文献[12]设计的工作于高温环境中的金属透镜天线增益为19 dBi，文献[13]设计的宽带金属透镜天线的增益为26 dBi，但以上文献中金属透镜的结构都是根据初级馈源天线的尺寸和远场辐射特性进行设计，初级馈源天线改变时，金属透镜的结构也需要重新设计。

为了减少初级馈源天线尺寸和辐射特性对金属透镜结构的限制，本文根据金属透镜对电磁波作用的基本理论，采用几何光学[14]中薄透镜焦距公式设计金属透镜的结构，设计了一款工作在10 GHz的高增益金属透镜天线。用电磁仿真软件CST分析了金属透镜对电磁波的汇聚作用，并对天线进行了加工测试。

1 金属透镜天线设计

1.1 工作原理和结构

金属透镜天线的基本结构如图1所示，由初级馈源天线和金属透镜组成。

(a) 主视图

(b) 侧视图图1 金属透镜天线基本结构

金属透镜由多个等间隔的平行金属板组成，其间距为a。当平行金属板间距a≥λ0/2(λ0是自由空间中的波长)时，电磁波在金属板之间的传输可以视为在间距为a的平行金属板波导[15]中传播。其中，电磁波在平行金属板波导中单模传输[16]的相速度可以表示为[17]：

(1)

式中，v0为自由空间中的波速。通过式(1)可以发现，此时电磁波的相速度比在自由空间快[18]，所以可以将多个等间隔平行金属板等效为折射率[19]小于1的均匀材料，其折射率为：

(2)

由于平行金属板对电磁波的加速效应，初级馈源天线辐射的球面波通过金属凹透镜后变换为平面波，因聚焦汇聚作用使电磁能量更为集中，从而使天线获得高增益特性。

透镜天线的初级馈源天线一般为喇叭天线，文献[12-13,20]根据喇叭天线的尺寸和远场辐射特性设计金属透镜的的结构，但喇叭天线改变时，金属透镜的结构也需要重新设计。根据文献[21-22]，可以利用几何光学中透镜的焦距公式设计金属透镜的结构，对喇叭天线的依赖性较小。金属透镜的折射率、曲率半径和透镜焦距等参数满足：

(3)

式中，f为透镜的焦距；R1和R2为透镜前后两侧的曲率半径。

1.2 设计仿真与分析

本文设计了工作在10 GHz的金属透镜天线，以矩形喇叭天线作为初级馈源天线，其结构示意图如图2所示。喇叭天线尺寸为84 mm×60 mm×143 mm，采用WR90矩形波导馈电，其增益为16.8 dBi。金属透镜由13个等间隔平行金属板组成，当金属板间距a为0.7λ0时，电磁波可以获得最大传输功率[23]，所以本文将金属板间距a设为21 mm，由式(2)得金属透镜的折射率n为0.7。将金属透镜置于喇叭天线的远场分界处，则喇叭天线与金属透镜中心的距离f为370 mm。本文设计中，金属透镜前后两侧的曲率半径R1和R2相等，通过式(3)得R1和R2的值约为220 mm。

图2 金属透镜天线结构示意

利用电磁仿真软件CST对设计模型进行仿真分析。图3(a)和图3(b)分别给出了工作频点10 GHz下，有无金属透镜时喇叭天线的电场分布，观察范围为喇叭天线前方28个波长的区域。对比图3(a)和图3(b)可以发现，当无金属透镜结构时，喇叭天线辐射电磁波的波阵面为弧形，即球面波，辐射的电磁能量比较发散。有金属透镜结构时，辐射电磁波的波阵面近似为平面，传输方向垂直于天线口径面，天线正前方区域的电场强度明显大于无金属透镜时。因此，金属透镜对喇叭天线辐射电磁波起到了汇聚作用。

(a) 无金属透镜时

(b) 有金属透镜时图3 喇叭天线电场分布

2 天线测试结果与分析

加工制作时，采用了一只半径153 mm的PVC圆筒制作天线外壳，对PVC圆筒顶部开缝，将13张金属板插入缝隙中，组装成为金属透镜。喇叭天线安装于PVC筒尾部，如图4所示。

图4 金属透镜天线照片

金属透镜天线的仿真和测试|S11|曲线如图5所示。可以看到，仿真和测试值吻合良好，该天线的|S11|<-10 dB,阻抗带宽为18%(9.6～11.5 GHz)。

图5 仿真与测试的|S11|曲线

金属透镜天线在10 GHz频率下的E面和H面辐射方向图如图6所示，实测值与仿真值吻合良好。该金属透镜天线的增益为27 dBi，相比喇叭天线提高了10.2 dB。天线主旁瓣比为19 dB，交叉极化大于18.6 dB。相对于其他同类型的天线，本文设计的金属透镜天线具有优异的性能。

图6 仿真和实测方向图

3 结束语

基于平行金属板对电磁波的加速效应，采用几何光学原理，本文设计、加工并测试了一款高增益的金属透镜天线。该天线采用增益为16.8 dBi的矩形喇叭天线作为初级馈源天线，将一组金属板平行、等间距地嵌入一只PVC圆筒中，组装为金属凹透镜。仿真和测试结果表明，本文设计的金属透镜结构可以有效地对电磁波起到汇聚作用，从而使天线具有良好的高增益辐射性能，其|S11|<-10 dB的相对阻抗带宽为18%，在工作频点10 GHz处的增益达到了27 dBi，天线的主旁瓣比为19 dB，交叉极化比大于18.6 dB。

[1] 吴维农，杜海波，袁 野，等.输电线路无人机巡检实时通信技术研究[J].中国电力,2016,49(10):111-113.

[2] 赵 琳,迟永钢,李红梅.可用于生命探测雷达的TEM喇叭天线设计[J].哈尔滨工业大学学报,2013,45(5):35-39.

[3] 孙永志,王伟光,孙建庆,等.一种新型平板高增益天线[J].航天电子对抗,2013,29(1):42-44.

[4] 丁 友,李民权,彭 猛,等.一种新型的双频高增益天线设计[J].电子与信息学报,2014,36(7):1 771-1 774.[5] 王耀琦.高增益、宽频带、低旁瓣抛物面天线的设计[J].甘肃科技,2004,20(4):51-53.

[6] 邓淑英.X波段低损耗高增益微带阵列天线设计[J].通信设备,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] 唐剑明,赵 青,郑 灵,等.3mm圆锥喇叭聚焦天线的理论与仿真[J].强激光与粒子束,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] 杨一明,袁成卫,钱宝良.波导缝隙阵列天线高功率微波应用探索[J].强激光与粒子束,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] 刘雪明,廖 成,冯 菊,等.高功率超宽带变压器油透镜天线设计与仿真[J].强激光与粒子束,2014,26(8):195-199.

[15] 何雅兰,何金龙,刘平安.低损耗太赫兹镀膜金属波导研究[J].红外与激光工程,2013,42(6):1 533-1 536.

[16] 杨 锐,谢拥军,王元源,等.SRR异向介质特性研究及其在导波结构中的应用[J].电波科学学报,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.天线(下册)(第3版)[M].北京：电子工业出版社,2013.

[19] 何晓阳,王 军,李 彪,等.折射率渐变透镜的数值设计[J].强激光与粒子束,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] 黄玉兰.电磁场与微波技术[M].北京：人民邮电出版社,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

国家自然科学基金委员会—中国工程物理研究院联合基金资助项目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.15

何 飞，陈 星.高增益金属透镜天线设计[J].无线电工程,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 飞 女，(1992—)，硕士研究生。主要研究方向：天线设计、电磁能量捕获。

陈 星 男，(1970—)，博士，教授。主要研究方向：天线设计、并行计算、电磁场数值计算和微波成像等。