基于全介质人工电磁媒质的平面透镜研究

The requirement of antenna with high gain and multi-beam for the next generation wireless communication system (5G) is increasing. Lens antenna has many advantages, such as low side-lobe, broadband and high gain. It can also be used to realize multi-beam, and has become a hot topic. However, the traditional dielectric lens is usually a curved surface lens, which is too bulky and difficult to be planar. Metamaterial lens made of metallic unit cells has low power capacity, which limits its application. The metamaterial made of multi-layer dielectric sheets has a function of beam control. In this proposal, planar lens will be designed using multi-layer dielectric sheets. It has the advantages of high power capacity, light weight, simple structure and low fabrication cost. The main research contents include: (1) the mechanism of multi-layer dielectric sheets to achieve beam control; (2) high gain directional planar lens antenna using multi-layer dielectric sheets; (3) the multi-beam antenna based on Luneberg lens using multi-layer dielectric sheets. It is expected that this study will enrich the design theory of multi-layer dielectric sheets for beam control. Using this structure to design high gain lens antenna and multi-beam antenna innovatively, provide brand-new technical means to design planar lens. The achievements have great value and potential applications.

下一代无线通信系统（5G）对天线高增益和多波束的要求日益增长。透镜天线具有低副瓣、宽频带、高增益等优点，而且还可以用于实现多波束，已成为当前的研究热点。但是，传统的介质透镜通常是一个曲面透镜，体积较大，过于笨重，难以做成平面透镜。由金属单元构成的超材料平面透镜，功率容量低，在一定程度上限制了其应用。基于多层介质板结构的人工电磁媒质具有波束控制的作用。本项目拟用这种结构设计平面透镜，它具有功率容量高、重量轻、结构简单、加工成本低等优点。主要研究内容包括：（1）多层介质板结构实现波束控制的机理研究；（2）基于多层介质板结构的高增益定向平面透镜天线研究；（3）基于多层介质板结构龙伯透镜的多波束天线研究。研究成果将丰富多层介质板结构实现波束控制的理论研究，创新性地利用这种结构设计高增益透镜天线和多波束天线，为平面透镜设计提供了新的学术思想和技术途径，具有重要的工程价值和应用前景。

无线通信、雷达和电子对抗等领域的快速发展,对高增益天线的要求日益增长。天线增益在很大程度上决定了天线传输信息的距离，在输入功率和损耗不变的前提下，天线增益越高，信号传输距离越远。透镜天线由馈源天线和微波透镜两部分组成，从馈源天线辐射出的球面波经过透镜转换为平面波，使辐射能量集中，从而提高天线增益。随着下一代无线通信系统（5G）的到来，天线不仅要求具有高增益，而且需要能够实现多波束。本项目基于多层介质板结构，分别对高增益定向平面透镜天线和龙伯透镜的多波束天线展开研究。本项目拟利用多层介质板结构设计高增益定向平面透镜天线。结合抗反射层、改变多层介质板分布方式的方法，进行高增益定向平面透镜天线的设计和优化。本项目拟基于龙伯透镜的基本原理，利用多层介质板结构设计球形龙伯透镜。并且通过选择合适的天线馈源，实现具有增益高、旁瓣小、带宽较宽、结构简单、加工成本低的多波束天线。本项目将水平放置的多层介质板加载于谐振频率8.5 GHz 的贴片天线的上方。在谐振频率8.5 GHz 处，天线的仿真增益由6.5 dBi 增加到了16.1 dBi，但对天线带宽基本没有影响。另外，利用多层介质板构成的龙伯透镜，可以实现多波束，增益高的特性。本项目采用多层介质板结构的人工电磁媒质设计平面微波透镜，这类透镜重量轻、结构简单、加工成本低、功率容量大、提高天线增益效果明显，为微波透镜的设计提供了新的思路。本项目采用多层介质板结构的人工电磁媒质设计平面龙伯透镜，实现了结构简单、重量轻、加工成本低的平面龙伯透镜。