维大孔径透镜天线的梯度透射率

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1、三维大孔径梯度透射率的透镜天线摘要：我们提出了一个设计具有梯度折射率的三维（3D）大孔径超常材料平板透镜天线的准确方法。根据几何光学，费马原理，光线跟踪技术和阻抗匹配，大孔的三维梯度折射率平板透镜可以被精确的设计和模拟。在有效介质理论的帮助下，直径为250毫米装载有X波段和Ku波段圆锥天线的三维梯度折射率平板透镜可以通过实验技术来实现。在印刷电路板上用钻孔技术将它作为材料单元。相比传统的具有相同孔径的透镜介质，该天线的高指向性性能非常好，可以增加2至5分贝。使用同样的方法，我们设计并实现了一个在X波段直径为1000毫米的大口径透镜，它是由近一千万平方环谐振器和钻孔的介电块的非均匀单元组成。由于

2、光圈巨大，因此对电磁射线路径的内部和外部的梯度透镜进行了验证并使用射线追踪技术对其优化。测量结果表明，该天线高指向性性能很好。关键词：梯度折射率材料、实体天线、高增益、宽带、微波1介绍由于其高增益和方向性，微波透镜天线已被广泛应用于各种样的宽带无线通信领域，飞机导航和射电天文学。在几何光学的框架下，微波透镜通过调整相位分布将提供的资源转化为准球面波。相比于另一种高增益透镜天线，这种透镜天线有一系列好的性能：大角度扫描、低侧裂、不堵料。根据本透镜材料的特性，传统的透镜天线有两种不同的模式：介电延时镜头和金属加速透镜。这两种形式的镜头都提出特殊几何双曲线或椭圆形状的电磁波，这给设计和制造带来许多困

3、难。材料的设计提供了新的方法，新的微波和光学透镜。因为介电常数（ε）和渗透的材料（μ）可以在较宽的范围内定制。不同于由均匀介质组成用弯曲的表面来补偿相的传统透镜，超材料透镜利用梯度折射率来意识到所需要的相的变化。通常梯度折射率有以下优点。（1）一个简单的平面的梯度透射率透镜可以用于聚焦电磁波，因此它很容易被设计与实现。（2）GRIN透镜的阻容易与空气匹配，因此不存在影响高效率天线的损耗。（3）大范围的折射率可以通过使用超材料使透镜比传统的透镜更薄。由于以上优点，GRIN透镜天线在近几年得到了广泛的研究。最初使用开口环谐振器（SRR）的元素将梯度折射率介质透镜天线设计为一个线性空间梯度折射率平板

4、，梯度折射率介质透镜天线已被用于偏移电磁波的方向。后来，一个双负梯度折射率平板透镜的设计和实现集中在平面波上，其中折射率从−1（在透镜中心）到−2.7（−在镜片边缘）呈线性下降。另外，Driscolla和巴索夫提出了另一种使用印刷电路板（PCB）基于多层介质的双重否定GRIN透镜。在2007年，一负梯度指数透镜是由有适当结构的金属薄膜来实现。然而，由于共振的问题，负梯度折射率透镜都面临着比较大的损失和窄的带宽。为了解决这个问题，积极的磁导率和介电常数的GRIN透镜已经提出。由于一个新的超材料具有相同的磁导率和介电常数，达到最佳的阻抗匹配的透镜天线的自由空间，这种新材料取得了良好的性能。然而，大

5、多数上述的GRIN透镜是有限的两维（2D）。为了实现一个介质透镜天线，在X波段的三维（3D）的梯度折射率透镜已提出了一种基于多层环的非均匀性共鸣器。这拥有了高增益，宽带和双极化良好的特点。基于GRIN透镜双方提出了两个匹配层，实现良好的阻抗来匹配空气，产生的低反射系数。测量结果显示三维透镜天线从8GHz至12GHz的性能是良好的。它已被用于在使用类似的超材料技术的三维隐形斗篷实验中。基于变换光学的其他种类的GRIN透镜天线，如二维和三维伦伯透镜，2D和3D麦斯威尔鱼眼镜头，和3D扁平伦伯透镜也已经通过实验证明。然而，对三维梯度折射率平板透镜的设计方法仅限于小孔径。在本文中，我们提出了一种利用几

6、何光学，费马原理，光线追踪技术来设计大孔径三维梯度折射率平板透镜天线的更准确的方法。基于本文提出的方法和有效介质理论、设计、制造，并测量了三大口径的GRIN透镜，包括一个X波段和Ku波段直径25厘米的镜头，还有直径100厘米波段的镜头。相比具有相同的孔径传统的介质透镜，该天线具有高指向性性能非常好。2一个平装张开三维平板透镜的精确设计基于几何光学原理和费马原理，我们可以设计一个三维旋转对称平板透镜。透镜的横截面显示在图1（a），其中Z是光轴，r是径向方向，和一个位于O的点源（即重点）。平板透镜必须是不均匀的，这样以便于折射指数n（r）可以将球面波辐射在各向同性点源转变为平面波。透镜的厚度和直径

7、分别由T和D表示的，如图1所示。在镜头前面的空间产生的平面波，电域上镜头光圈阶段必须是相同的。也就是说，任何射线发射从点源的镜头光圈应该是平等的。从几何光学，很容易知道，射线路径通过光轴的S+NT，其中S是焦距，N=N（0）是沿光轴的折射率。假设孔径和厚度不太大，然后通过任意径向位置的射线路径R可近似达到提供所需的折射率，可以很容易地进行转换的值。然而，方程（2）只适用于几何光学的框架。在波动力学