專利名稱：改進(jìn)介質(zhì)透鏡減少內(nèi)反射波干擾的透鏡天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及對透鏡天線進(jìn)行的改進(jìn)，此透鏡天線包含在輻射器的開口上裝接有一個介質(zhì)透鏡；更具體地涉及的透鏡天線包含有一個改進(jìn)的介質(zhì)透鏡用以有效地降低由透鏡內(nèi)部內(nèi)反射電磁波引起的干擾。
作為已有技術(shù)，透鏡天線包含一個固定在輻射器的開口(嘴)上的介質(zhì)透鏡。介質(zhì)透鏡起著使電磁波準(zhǔn)直的元件的作用。透鏡天線一般用于聯(lián)機(jī)觀測的地面微波通信系統(tǒng)。
在轉(zhuǎn)入本發(fā)明之前最好參照

圖1描述一下已有的透鏡天線。
圖1是一已知透鏡天線的部分截面的側(cè)視圖，通常用標(biāo)號10表示，它包含一個平凸介質(zhì)透鏡12和一個用作拉直波導(dǎo)的錐形輻射器14。平凸透鏡12是用相對介電常數(shù)約2至4范圍內(nèi)的諸如聚乙烯、聚苯乙稀之類的介質(zhì)材料制成。透鏡12有一面對自由空間的平面表面16和一在內(nèi)側(cè)的旋轉(zhuǎn)雙曲面(用標(biāo)號18表示)。輻射器14有一圓形開口，透鏡12就固定在它的周邊。輻射器14有一涂復(fù)導(dǎo)電層的內(nèi)壁和一凸緣20，它與波導(dǎo)件24的相應(yīng)凸緣22連接。標(biāo)號26表示一波導(dǎo)。
作為已知技術(shù)，透鏡14將從發(fā)射源28(即初級天線)發(fā)射來的電磁波的球面波前轉(zhuǎn)換成平面波前。十分明顯，可以通過透鏡的成形按照各處的相位在平面表面上(即平面波前)形成場(即電磁場)，使得從發(fā)射波源28至透鏡平面的所有路程均為相等的電學(xué)長度(費(fèi)爾馬特原理)。
如圖1中所示，所給入射波28的一部分在透鏡12的兩點(diǎn)處被反射在凸面表面18(用虛線箭頭29表示反射分量)和在平面表面16。除去從處于軸32或與其相近的點(diǎn)上反射之外，從凸面表面18產(chǎn)生的反射不返回發(fā)射源28，因而無關(guān)重要。然而，從透鏡平面16反射的能量正好沿著發(fā)射線30返回并可能對要從發(fā)射波源26發(fā)射的能量產(chǎn)生不利影響。
因而人們高度期望減少上述由平面透鏡表面反射所引起的不符合要求的影響。
因而本發(fā)明的一項(xiàng)目的是要提供一種具有使內(nèi)反射波引起的干擾減少的改進(jìn)介質(zhì)透鏡的透鏡天線。
本發(fā)明的一種方式在透鏡天線中保存著包括一錐形輻射器；和裝接在所述輻射器開口上的一個透鏡，所述透鏡在第一側(cè)面有一面對自由空間的平面表面，而在相對于第一側(cè)面的第二側(cè)面則有一旋轉(zhuǎn)雙曲面，它是用相對介電常數(shù)在2至4范圍內(nèi)的介質(zhì)材料制成的，所述透鏡是一直徑為r的圓形透鏡，其中所述透鏡設(shè)有一自所述透鏡的平面表面伸出的柱形部分，所述柱形部分有約r/3的直徑和約0.17λ。的高度，其中λ。為所述透鏡天線所用頻率范圍的中心頻率波長，所述柱形部分與所述透鏡為同心。
本發(fā)明的另一種方式在透鏡天線中保存著包括一錐形輻射器；和裝接在所述輻射器開口上的一個透鏡，所述透鏡在第一側(cè)面有一面對自由空間的平面表面，而在相對于第一側(cè)面的第二側(cè)面則有一旋轉(zhuǎn)雙曲面，它是用相對介電常數(shù)在2至4范圍內(nèi)的介質(zhì)材料制成的，所述透鏡是一直徑為r的圓形透鏡，其中所述透鏡設(shè)有一自所述透鏡的平面表面凹入的柱形部分，所述柱形部分有約r/3的直徑和約0.17λ。的高度，其中λ。為所述透鏡天線所用頻率范圍的中心頻率波長，所述柱形部分與所述透鏡為同心。
從以下結(jié)合附圖所作的說明中將會更加清楚地理解到本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為參照即時披露的公開段落中的一個透鏡天線部分截面的側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例透鏡天線的透視圖；圖3為圖2透鏡天線部分截面的側(cè)視圖；圖4為用以描述第一實(shí)施例的工作的矢量圖；圖5為表示第一實(shí)施例透鏡天線的輻射圖形的曲線圖；圖6為表示第一實(shí)施例中反射損耗的曲線圖7為表示已有技術(shù)中反射損耗的曲線圖；以及圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例透鏡天線的透視圖。
對本發(fā)明第一實(shí)施例的說明將參照圖2至5進(jìn)行。
圖2為第一實(shí)施例透鏡天線40的透視圖。透鏡天線40包括一個圓形平凸介質(zhì)透鏡42，它如圖1所示已有技術(shù)中那樣支撐在錐形輻射器的開口上。透鏡42是用相對介電常數(shù)在2至4范圍內(nèi)的合適介質(zhì)材料制成。如圖所示，透鏡42有一外伸距離為h的中心部分。伸出部分大體上呈盤狀，因而此后就稱之為盤狀或柱狀部分44。此盤狀部分44是以同心的方式形成在透鏡42上的。要注意到盤狀部分44是透鏡42的一部分并且是在制造透鏡42時作成如此形狀的。為了便于描述，盤狀部分44的平面表面用標(biāo)號44a表示，而除去平面表面44a之外的透鏡42的平面表面則用42a表示。如同圖1的已有技術(shù)中那樣，透鏡42在內(nèi)側(cè)面有一旋轉(zhuǎn)雙曲面18′(見圖3)。透鏡天線40的其余部分與圖1的相應(yīng)部分完全相同，因而對它們的描述將予省略。
用D1和D2分別表示透鏡42和盤狀部分44的直徑，最好將直徑D2設(shè)成約為D1的三分之一(即(D1)/3)。直徑D1和D2的這種關(guān)系是由下述因素定出的。大家都知道透鏡42邊緣附近的電磁場要比其中心附近弱。也就是說，從透鏡42邊緣附近反射的波量與從其中心附近反射的波量不同。為了有效地減少由反射波引起的不符合要求的現(xiàn)象，非常希望從表面42a和44a反射的波量相等。按照這一觀點(diǎn)，最好就將直徑D2定成約等于D1的三分之一(即(D1)/3)。
在圖3中示出由波源26起始發(fā)射的兩束波50和52。波50和52分別指向穿通表面42a和44a。如同前述，穿通透鏡平面(如42a和44a)的各個波的能量有部分從平面的邊界處反射。在圖3中，符號50r和52r分別表示波50和52的反射波。人們明白反射波52r與反射波50r相比被推后了“2×h”的電學(xué)路程。按照發(fā)明人所進(jìn)行的研究，高度“h”最好約為0.17λ。(λ。為指定頻率范圍的中心頻率波長)。這意味著反射波52r與反射波50r相比按自由空間(空氣或真空)表示被推后了2×0.17λ。＝0.34λ。。
此外，發(fā)明人在下列條件下進(jìn)行了一次計算機(jī)模擬。也就是說，透鏡42是用相對介電常數(shù)為2.85的聚碳酸酯制成的，而直徑D1和D2則分別為200毫米和60毫米。假設(shè)有效頻帶范圍從37.00千兆赫至39.50千兆赫，從而中心頻率為38.25千兆赫(λ。＝7.84毫米)。因此，用下式算出盤狀部分44的高度“h”h＝0.17λ0/εr1/2＝(0.17×7.84)/2.851/20.8毫米如上所述，從平面表面44a反射的波(如52r)與在平面表面42a處反射的波(如50r)相比推遲了0.34λ。(按自由空間(空氣或真空)表示)。
對表明第一實(shí)施例具有超過已有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的一項(xiàng)特例將予討論。首先，給出了未設(shè)置上述盤狀部分44的情況(如圖1中所示已有技術(shù)的情況)。
定義如下與透鏡平面16有關(guān)的參數(shù)E1i入射在透鏡平面16上的波；E1t穿通平面16的波；E1r從平面16反射的波；以及R1在平面16處的反射比率。此外，假設(shè)|R|＝|E1r/E1i|＝0.3..........(1)因?yàn)榉瓷鋼p耗R L可以表示為101og|R|2，于是RL＝101og|R|2＝201og|R|＝201og0.3＝-10.5(dB) ...(2)另外，在第一實(shí)施例方面，與盤狀部分44的平面44a有關(guān)的參數(shù)定義如下E2i入射在透鏡平面44a上的波；E2t穿通平面44a的波；E2r從平面44a反射的波；以及
R2在平面44a處的反射比率。此外，與透鏡42的平面42a有關(guān)的參數(shù)定義如下E3i入射在透鏡平面42a上的波；E3t穿通平面42a的波；E3r從平面42a反射的波；以及R3在平面42a處的反射比率。
Rt＝R1+R2因?yàn)? E2r＝E3iand|E2r|＝|E3r|，于是Rt＝R2+R3＝{|E2i|2/(|E2i|2+|E3i|2)}2×(E2r/E2i)+{|E3i|2/(|E2i|2+|E3i|2)}2×(E3r/E3i)=(1/2·E2i)×(E2r+E3r)---(3)]]>因而，E2r和E3r之間的相位差(用θ表示)為θ＝0.17×2×2π＝0.68π以上假設(shè)了在平面40a和42a處的反射波量互等。
圖4為表示E2r和E3r之間關(guān)系的矢量圖，它們的相位差為θ。
假設(shè)|E2r/E2i|＝0.3，于是我們求得Rt=1/2×0.3{(1+cosθ)2+sin2θ}]]>=1/2×0.3×0.964]]>＝0.204 ...(4)作為一項(xiàng)結(jié)果，以上情況中的反射損耗(用RL’表示)如下RL′＝101og|Rt|＝-13.8dB .....(5)從以上計算中可以了解到，與已知技術(shù)相比，能使反射損耗降低3.3分貝。
發(fā)明人進(jìn)行了一次計算機(jī)模擬，確定了當(dāng)由波導(dǎo)26所加的是垂直偏振波時的輻射圖形。圖5為表示計算機(jī)模擬結(jié)果的曲線圖，它清楚地表明，即使形成了盤形部分44，仍能獲得良好的輻射圖形。
此外，發(fā)明人研究了出現(xiàn)在第一實(shí)施例(結(jié)果示于圖6)和在已有技術(shù)(結(jié)果示于圖7)中的反射損耗，兩者處于自35千兆赫至40千兆赫的頻率范圍。此頻率范圍包括了體現(xiàn)本發(fā)明透鏡天線所優(yōu)先利用的頻帶(37.0千兆赫至39.5千兆赫)。在此項(xiàng)研究中，以從波導(dǎo)26輻射的波在透鏡12(圖1)和42(圖3)的平面表面上全部被反射定為參照級(0分貝)。如圖6中所示，第一實(shí)施例中的最差反射損耗約為-16.4分貝。與此對比，已有技術(shù)中的最差反射損耗則如圖7中所繪的，約為-11.0分貝。也就是說，此項(xiàng)檢查表明，與已有技術(shù)相比，第一實(shí)施例能使反射損耗下降約5.4分貝。
圖8為示明本發(fā)明第二實(shí)施例的一幅圖。如圖所示，透鏡天線40′包括一個介質(zhì)透鏡42′，它有深度為h的柱形凹進(jìn)44′。除此之外，圖8的第二實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上與第一實(shí)施例相同。對于第二實(shí)施例，從凹進(jìn)44′的內(nèi)表面反射的每個波比從沒有凹進(jìn)44′的內(nèi)表面反射的波縮短了0.34波長(2h＝0.34)。大家會明白，以上就第一實(shí)施例所進(jìn)行的運(yùn)行討論適用于第二實(shí)施例。
大家將會明白，以上公開的只是本發(fā)明具有代表性的兩項(xiàng)可能的實(shí)施例，而發(fā)明賴以建立的概念并不受它的具體限定。
權(quán)利要求
1.一種透鏡天線包括一個錐形輻射器；以及一個裝接在所述輻射器的開口上的透鏡，所述透鏡在第一側(cè)面有一面對自由空間的平面表面而在相對第一側(cè)面的第二側(cè)面則有一旋轉(zhuǎn)雙曲面并用相對介電常數(shù)為2至4的介質(zhì)材料制成，所述透鏡是一直徑為r的圓形透鏡，所述透鏡天線的特征在于，所述透鏡設(shè)有一自所述透鏡平面表面伸出的柱形部分，所述柱形部分有約r/3的直徑和約0.17λ。的高度，其中λ。為所述透鏡天線所用頻率范圍的中心頻率波長，所述柱形部分與所述透鏡為同心。
2.一種透鏡天線包括一個錐形輻射器；以及一個裝接在所述輻射器的開口上的透鏡，所述透鏡在第一側(cè)面有一面對自由空間的平面表面而在相對第一側(cè)面的第二側(cè)面則有一旋轉(zhuǎn)雙曲面并用相對介電常數(shù)為2至4的介質(zhì)材料制成，所述透鏡是一直徑為r的圓形透鏡，所述透鏡天線的特征在于，所述透鏡設(shè)有一自所述透鏡平面表面凹進(jìn)的柱形部分，所述柱形部分有約r/3的直徑和約0.17λ。的高度，其中λ。為所述透鏡天線所用頻率范圍的中心頻率波長，所述柱形部分與所述透鏡為同心。
全文摘要
公開了一種透鏡天線，它包括一個錐形輻射器和一個裝接在輻射器開口上的透鏡。透鏡在第一側(cè)面有一面對自由空間的平面表面而在相對于第一側(cè)面的第二側(cè)面有一旋轉(zhuǎn)雙曲面。透鏡是用相對介電常數(shù)為2至4的介質(zhì)材料制成，呈直徑為r的圓形。透鏡設(shè)有從其平面表面伸出的柱形部分。柱形部分的直徑約為r/3，高度約為0.17λ
文檔編號H01Q15/02GK1167350SQ9710440
公開日1997年12月10日 申請日期1997年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月30日
發(fā)明者倉本晶夫, 田邊浩介 申請人:日本電氣株式會社