具有类高斯辐射方向图的超宽带天线的形透镜状圆顶

具有类高斯辐射方向图的超宽带天线的形透镜状圆顶采用基于遗传算法和几何光学/物理光学技术的内部软件对具有轴对称类高斯辐射方向图的多壳体类透镜圆顶天线(LLDA)进行优化，实现了在整个v波段(50-75GHz)内稳定的辐射特性。这得益于优化形状以及引入圆顶内外两个匹配层。LLDA的圆顶芯层和匹配层分别采用交联聚苯乙烯和泡沫材料制成，并且实测数据与模拟数据吻合良好，说明多壳体圆顶天线具备低色散增益和类高斯辐射方向图能力。天线配置及设计方法LLDA的一般视图如图一所示。该天线由一个多壳轴对称的介电圆顶和一个喇叭式馈电组成。圆顶（图一a）由3个壳体组成：一个由交联聚苯乙烯材料制成的成型芯（ε2=2.53，tanδ=5×10-3），以及两个由较低介电常数的泡沫制成的匹配层（ML），即Eccostock®LoK（ε1=1.59，tanδ=4×10-3）。它们已经使用开放谐振器技术在V波段进行了表征，并且被选择来最小化内外空气/电介质边界上的介电对比。所选泡沫虽然坚硬且吸水率低，但适用于室内使用。因此，为了确保对打算在室外环境中运行的LLDA的可靠保护，必须为外壳选择具有类似特性的另一种材料。圆顶的形状由2P个节点控制，这些节点由三次样条连接；这些节点定义了圆顶交联聚苯乙烯核心的内表面和外表面（图一a）。在优化过程中，沿内表面的节点位置根据相对于前一个节点的半径矢量相对增量进行编码，即：ri+1=ri±∆ri+1，其中r0∈[24,40]mm和∆ri∈[-8,8]mm为了在制造后组装所有壳体，还要求xi+1>xi。请注意，所选的编码方案为圆顶的高度（由r0定义）和直径提供了很大的自由度。后者可以在（r0±P∆r）的范围内变化；为了防止直径非常小的非物理解，对圆顶高度和直径施加了额外的限制，即D≥20mm（或4λ0）。此研究则通过考虑多壳圆顶，‌将匹配层纳入优化过程中，‌实现了原位优化策略。‌初步研究表明，‌此策略可获得更佳结果，‌特别是相较于向独立优化的交联聚苯乙烯圆顶添加匹配层，‌本方法能实现纯高斯型主光束和所需的SLL等性能特征。这是因为使用均匀圆顶不允许同时实现纯高斯型主光束和所需的SLL；因此，这两个优化标准之间发生了权衡。本文采用的原位优化策略自然地解决了SLL问题（通过减少内部反射），从而为优化天线参数提供了更多自由度，以满足其他要求（即主波束轮廓）。因此，这两个标准都可以满足。优化圆顶的剖面图和三维视图如图二所示。圆顶形状由14个节点定义（P=7）。圆顶直径和高度分别等于D=97mm（∼19×λ0）和H=43.5mm（∀9×λ0。注意，优化的LLDA的高度和直径在所提供的变化范围的中间。因此，我们可以得出结论，使用较小的圆顶不可能实现相同的性能特征。透镜状圆顶及其两个ML是使用三轴计算机数控铣床制造的。最终原型及其构建块（E面扇形喇叭安装在覆盖有吸收材料的圆形金属接地平面上，交联聚苯乙烯中的透镜状圆顶和两个泡沫ML）如图三所示。为了增强机械刚度，当组装到圆顶上时，外部ML的厚度在底部从~3mm逐渐增加到6mm，这种形状校正不会改变天线方向图（通过数值测试）。内部ML的厚度不变。为了避免由于接地平面引起的多次反射，在馈电周围放置了一个薄的吸收层；它吸收了从圆顶内表面反射回来的一部分能量。文中设计并制作了一种具有轴对称高斯辐射模式的透镜状圆顶天线，工作带宽为25GHz（从50GHz到75GHz），实现了16dBi左右的增益。通过实验，证明了建立具有稳