具有類(lèi)高斯輻射方向圖的超寬帶天線的形透鏡狀圓頂

具有類(lèi)高斯輻射方向圖的超寬帶天線的形透鏡狀圓頂采用基于遺傳算法和幾何光學(xué)/物理光學(xué)技術(shù)的內(nèi)部軟件對(duì)具有軸對(duì)稱(chēng)類(lèi)高斯輻射方向圖的多殼體類(lèi)透鏡圓頂天線(LLDA)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)v波段(50-75GHz)內(nèi)穩(wěn)定的輻射特性。這得益于優(yōu)化形狀以及引入圓頂內(nèi)外兩個(gè)匹配層。LLDA的圓頂芯層和匹配層分別采用交聯(lián)聚苯乙烯和泡沫材料制成，并且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合良好，說(shuō)明多殼體圓頂天線具備低色散增益和類(lèi)高斯輻射方向圖能力。天線配置及設(shè)計(jì)方法LLDA的一般視圖如圖一所示。該天線由一個(gè)多殼軸對(duì)稱(chēng)的介電圓頂和一個(gè)喇叭式饋電組成。圓頂（圖一a）由3個(gè)殼體組成：一個(gè)由交聯(lián)聚苯乙烯材料制成的成型芯（ε2=2.53，tanδ=5×10-3），以及兩個(gè)由較低介電常數(shù)的泡沫制成的匹配層（ML），即Eccostock?LoK（ε1=1.59，tanδ=4×10-3）。它們已經(jīng)使用開(kāi)放諧振器技術(shù)在V波段進(jìn)行了表征，并且被選擇來(lái)最小化內(nèi)外空氣/電介質(zhì)邊界上的介電對(duì)比。所選泡沫雖然堅(jiān)硬且吸水率低，但適用于室內(nèi)使用。因此，為了確保對(duì)打算在室外環(huán)境中運(yùn)行的LLDA的可靠保護(hù)，必須為外殼選擇具有類(lèi)似特性的另一種材料。圓頂?shù)男螤钣?P個(gè)節(jié)點(diǎn)控制，這些節(jié)點(diǎn)由三次樣條連接；這些節(jié)點(diǎn)定義了圓頂交聯(lián)聚苯乙烯核心的內(nèi)表面和外表面（圖一a）。在優(yōu)化過(guò)程中，沿內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn)位置根據(jù)相對(duì)于前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的半徑矢量相對(duì)增量進(jìn)行編碼，即：ri+1=ri±?ri+1，其中r0∈[24,40]mm和?ri∈[-8,8]mm為了在制造后組裝所有殼體，還要求xi+1>xi。請(qǐng)注意，所選的編碼方案為圓頂?shù)母叨龋ㄓ蓃0定義）和直徑提供了很大的自由度。后者可以在（r0±P?r）的范圍內(nèi)變化；為了防止直徑非常小的非物理解，對(duì)圓頂高度和直徑施加了額外的限制，即D≥20mm（或4λ0）。此研究則通過(guò)考慮多殼圓頂，?將匹配層納入優(yōu)化過(guò)程中，?實(shí)現(xiàn)了原位優(yōu)化策略。?初步研究表明，?此策略可獲得更佳結(jié)果，?特別是相較于向獨(dú)立優(yōu)化的交聯(lián)聚苯乙烯圓頂添加匹配層，?本方法能實(shí)現(xiàn)純高斯型主光束和所需的SLL等性能特征。這是因?yàn)槭褂镁鶆驁A頂不允許同時(shí)實(shí)現(xiàn)純高斯型主光束和所需的SLL；因此，這兩個(gè)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)之間發(fā)生了權(quán)衡。本文采用的原位優(yōu)化策略自然地解決了SLL問(wèn)題（通過(guò)減少內(nèi)部反射），從而為優(yōu)化天線參數(shù)提供了更多自由度，以滿足其他要求（即主波束輪廓）。因此，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都可以滿足。優(yōu)化圓頂?shù)钠拭鎴D和三維視圖如圖二所示。圓頂形狀由14個(gè)節(jié)點(diǎn)定義（P=7）。圓頂直徑和高度分別等于D=97mm（～19×λ0）和H=43.5mm（?9×λ0。注意，優(yōu)化的LLDA的高度和直徑在所提供的變化范圍的中間。因此，我們可以得出結(jié)論，使用較小的圓頂不可能實(shí)現(xiàn)相同的性能特征。透鏡狀圓頂及其兩個(gè)ML是使用三軸計(jì)算機(jī)數(shù)控銑床制造的。最終原型及其構(gòu)建塊（E面扇形喇叭安裝在覆蓋有吸收材料的圓形金屬接地平面上，交聯(lián)聚苯乙烯中的透鏡狀圓頂和兩個(gè)泡沫ML）如圖三所示。為了增強(qiáng)機(jī)械剛度，當(dāng)組裝到圓頂上時(shí)，外部ML的厚度在底部從~3mm逐漸增加到6mm，這種形狀校正不會(huì)改變天線方向圖（通過(guò)數(shù)值測(cè)試）。內(nèi)部ML的厚度不變。為了避免由于接地平面引起的多次反射，在饋電周?chē)胖昧艘粋€(gè)薄的吸收層；它吸收了從圓頂內(nèi)表面反射回來(lái)的一部分能量。文中設(shè)計(jì)并制作了一種具有軸對(duì)稱(chēng)高斯輻射模式的透鏡狀圓頂天線，工作帶寬為25GHz（從50GHz到75GHz），實(shí)現(xiàn)了16dBi左右的增益。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明了建立具有穩(wěn)