引言

在厘米波段，許多光學(xué)原理可以用于天線方面。光學(xué)中，利用透鏡能使放在透鏡焦點上的點光源輻射出平面波。同理介質(zhì)透鏡在厘米波段和毫米波段內(nèi)能夠十分有效的產(chǎn)生高方向性波束，同時介質(zhì)材料價格低廉，能量損耗小，所需加工精度較低，非常適合批量生產(chǎn)，所以毫米波介質(zhì)透鏡天線正在被廣泛應(yīng)用到寬帶無線通信。

衛(wèi)星接收天線多采用圓極化形式的設(shè)計,由于圓極化波的抗干擾特性,即反射回來的電磁波極化方向相反,引入的損耗小,也不存在線極化波極化面旋轉(zhuǎn)的問題,介質(zhì)透鏡覆層對天線的影響可以降到最低,故能有效地效提高天線工作性能的穩(wěn)定性。

2 加介質(zhì)覆層前后天線特性參數(shù)比較

加入覆層后，會對方向圖、駐波比等有一定影響，從下圖2、3、4可以看出有覆層和沒加覆層時帶寬和方向性變化很明顯，這是因為此介質(zhì)覆層結(jié)構(gòu)的通帶頻段內(nèi)，對頻段內(nèi)的電磁波實現(xiàn)匯聚作用，由于覆層的作用，使槽口天線陣的中心頻率向低端偏移。故在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該合理考慮覆層影響，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l段，以達(dá)到最佳的效果。

圖1 腔體縫隙天線前端加介質(zhì)透鏡

圖2，圖3給出了無覆層和有覆層時圓極化縫隙天線方向圖增益比較，從藍(lán)色增益曲線可以看出,在不加介質(zhì)覆層時，對于單環(huán)縫隙天線,中心頻率12GHz其主瓣最大增益為10.8dB,半功率波瓣寬度為74°;當(dāng)加了高折射率介質(zhì)層后,從橙色增益曲線可以看出其增益達(dá)到13.5dB,半功率波瓣寬度為36°,增益提高了2.7dB。這對縫隙天線來說,其增益增加的程度相當(dāng)可觀。圖4給出了無覆層和有覆層時圓極化縫隙天線的駐波比比較，加上介質(zhì)覆層后，在所需的工作頻段內(nèi)駐波比均小于1.2。當(dāng)加上介質(zhì)層時,在介質(zhì)覆層作用下,該天線的方向圖呈現(xiàn)很明顯的匯聚現(xiàn)象，駐波比也有了明顯的改進(jìn)。

圖2 加介質(zhì)透鏡的前后的增益比較

(藍(lán)色、橙色分別為加介質(zhì)覆層前后的增益曲線)

圖3 加介質(zhì)透鏡前后向圖比較

(藍(lán)色、紅色分別為加介質(zhì)覆層前后的方向圖)

圖4 加介質(zhì)透鏡前后駐波比比較(藍(lán)色、紅色分別為加介質(zhì)覆層前后的駐波比曲線) 下面給出了加上介質(zhì)覆層后幾個點頻的方向圖，可以看出主瓣方向在個頻點基本沒有偏轉(zhuǎn)，再次證明了覆層對天線輻射方向圖的束縛性很好。

(a) 11.7GHz[!--empirenews.page--]

(b) 11.9GHz

(c) 12GHz

(d) 12.4GHz

圖5 加介質(zhì)透鏡后在ku波段的方向圖(a)11.7GHz處的方向圖;(b)11.9GHz處的方向圖;(c)12GHz處的方向圖;(d)12.4GHz處的方向圖

對于該縫隙天線,有無介質(zhì)覆層對天線主方向的圓極化特性沒有太大影響。如果對于線極化縫隙天線,其加上覆層介質(zhì)后,它的中心頻率會向低端偏移,這是由于覆層介質(zhì)有反射所致。而采用圓極化天線設(shè)計,由于圓極化波的抗干擾特性,即反射回來的電磁波極化方向相反,引入的損耗小,也不存在線極化波極化面旋轉(zhuǎn)的問題,覆層對天線的影響可以降到最低,故有效提高了天線工作性能的穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)見,優(yōu)化覆層透鏡的尺寸,其波瓣寬度會繼續(xù)變窄，兩個副瓣的電平繼續(xù)降低,增益將繼續(xù)提高。所以,合理選擇陣面尺寸和增益之間的關(guān)系是該覆層天線設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題,可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計加工，一般覆層可以作為天線保護(hù)外殼的形式加載在天線前端，成本相當(dāng)?shù)土?在光學(xué)上望遠(yuǎn)鏡原理可能人人都會知曉，利用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高增益，現(xiàn)通過仿真發(fā)現(xiàn)雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)與單層介質(zhì)和不加介質(zhì)覆層相比，增益還是有所改善如圖7所示。雙層介質(zhì)覆層會使得天線的增益比單層介質(zhì)覆層大1.5dB，比不加介質(zhì)覆層大4dB以上。

圖6 縫隙天線前端加雙層介質(zhì)透鏡

圖7 加雙層介質(zhì)與單層介質(zhì)及不加介質(zhì)天線增益比較

(紅色、粉紅色、綠色分別為不加介質(zhì)，單層介質(zhì)，雙層介質(zhì)的增益曲線)

3 結(jié)論

通過CST仿真結(jié)果可以看到,圓極化縫隙天線在附加了高折射率的介質(zhì)覆層后,波瓣寬度變窄,增益得到了顯著提高,且該天線保持了良好的圓極化特性。同時該天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低的特點。介質(zhì)材料應(yīng)用于微帶天線是新型高增益天線的一個重要發(fā)展方向。這種研究對于媒質(zhì)在天線中的應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)作用,而且對小型化高增益天線的開發(fā)具有重要的參考價值。