1、引言

在厘米波段，許多光學原理可以用于天線方面。光學中，利用透鏡能使放在透鏡焦點上的點光源輻射出平面波。同理介質透鏡在厘米波段和毫米波段內能夠十分有效的產生高方向性波束，同時介質材料價格低廉，能量損耗小，所需加工精度較低，非常適合批量生產，所以毫米波介質透鏡天線正在被廣泛應用到寬帶無線通信。

衛星接收天線多采用圓極化形式的設計,由于圓極化波的抗干擾特性,即反射回來的電磁波極化方向相反,引入的損耗小,也不存在線極化波極化面旋轉的問題,介質透鏡覆層對天線的影響可以降到最低,故能有效地效提高天線工作性能的穩定性。

2、加介質覆層前后天線特性參數比較

加入覆層后，會對方向圖、駐波比等有一定影響，從下圖2、3、4可以看出有覆層和沒加覆層時帶寬和方向性變化很明顯，這是因為此介質覆層結構的通帶頻段內，對頻段內的電磁波實現匯聚作用，由于覆層的作用，使槽口天線陣的中心頻率向低端偏移。故在實際應用中，我們應該合理考慮覆層影響，選擇適當的工作頻段，以達到最佳的效果。

圖1 腔體縫隙天線前端加介質透鏡

圖2，圖3給出了無覆層和有覆層時圓極化縫隙天線方向圖增益比較，從藍色增益曲線可以看出,在不加介質覆層時，對于單環縫隙天線,中心頻率12GHz其主瓣最大增益為10.8dB,半功率波瓣寬度為74°;當加了高折射率介質層后,從橙色增益曲線可以看出其增益達到13.5dB,半功率波瓣寬度為36°,增益提高了2.7dB。這對縫隙天線來說,其增益增加的程度相當可觀。圖4給出了無覆層和有覆層時圓極化縫隙天線的駐波比比較，加上介質覆層后，在所需的工作頻段內駐波比均小于1.2。當加上介質層時,在介質覆層作用下,該天線的方向圖呈現很明顯的匯聚現象，駐波比也有了明顯的改進。

圖2 加介質透鏡的前后的增益比較

(藍色、橙色分別為加介質覆層前后的增益曲線)

圖3 加介質透鏡前后向圖比較

(藍色、紅色分別為加介質覆層前后的方向圖)

圖4 加介質透鏡前后駐波比比較(藍色、紅色分別為加介質覆層前后的駐波比曲線) 下面給出了加上介質覆層后幾個點頻的方向圖，可以看出主瓣方向在個頻點基本沒有偏轉，再次證明了覆層對天線輻射方向圖的束縛性很好。

(a) 11.7GHz

(b) 11.9GHz

(c) 12GHz

(d) 12.4GHz

圖5 加介質透鏡后在ku波段的方向圖(a)11.7GHz處的方向圖;(b)11.9GHz處的方向圖;(c)12GHz處的方向圖;(d)12.4GHz處的方向圖

對于該縫隙天線,有無介質覆層對天線主方向的圓極化特性沒有太大影響。如果對于線極化縫隙天線,其加上覆層介質后,它的中心頻率會向低端偏移,這是由于覆層介質有反射所致。而采用圓極化天線設計,由于圓極化波的抗干擾特性,即反射回來的電磁波極化方向相反,引入的損耗小,也不存在線極化波極化面旋轉的問題,覆層對天線的影響可以降到最低,故有效提高了天線工作性能的穩定性。可以預見,優化覆層透鏡的尺寸,其波瓣寬度會繼續變窄，兩個副瓣的電平繼續降低,增益將繼續提高。所以,合理選擇陣面尺寸和增益之間的關系是該覆層天線設計中的一個關鍵問題,可根據需要進行設計加工，一般覆層可以作為天線保護外殼的形式加載在天線前端，成本相當低廉。 在光學上望遠鏡原理可能人人都會知曉，利用雙層介質結構實現更高增益，現通過仿真發現雙層介質結構與單層介質和不加介質覆層相比，增益還是有所改善如圖7所示。雙層介質覆層會使得天線的增益比單層介質覆層大1.5dB，比不加介質覆層大4dB以上。

圖6 縫隙天線前端加雙層介質透鏡

圖7 加雙層介質與單層介質及不加介質天線增益比較

(紅色、粉紅色、綠色分別為不加介質，單層介質，雙層介質的增益曲線)

3、結論

通過CST仿真結果可以看到,圓極化縫隙天線在附加了高折射率的介質覆層后,波瓣寬度變窄,增益得到了顯著提高,且該天線保持了良好的圓極化特性。同時該天線還具有結構簡單、加工方便、成本低的特點。介質材料應用于微帶天線是新型高增益天線的一個重要發展方向。這種研究對于媒質在天線中的應用具有很好的指導作用,而且對小型化高增益天線的開發具有重要的參考價值。