具有增益自校正功能的天线系统的利记博彩app

本发明属于宽温度范围高增益天线领域，尤其涉及一种基于介质透镜的微波毫米波天线增益自动调整系统，具体为具有增益自校正功能的天线系统。
背景技术：
：近年来，波束动态调整微波毫米波通讯系统、高增益周界防护雷达、高增益探测设备等领域的快速发展和功能需求，极大地促进了微波毫米波天线的发展，同时高增益天线提出了更高要求。由于多数微波毫米波系统要求工作于室外，其环境温度从-40度变化至50度。这不仅要求微波电路具有高低温的自适应处理系统，也要求天线不仅具有高增益，而且其增益能够随环境温度的变化进行自适应调整。尤其是在24GHz和60GHz毫米波频段，室外点对点通讯和探测应用领域，目前均采用传统天线的构成方式进行电磁波辐射和接收，其在-50℃至60℃的较宽环境温度变化时，对于波长较短的通讯系统，透镜的结构变化对电磁波的透射特性影响较大，尤其是增益和副瓣电平具有明显变化，对通讯信号有明显影响。现在普遍采用的增益稳定措施均在微波有源电路进行调整，这样做虽然能够在一定程度上对增益进行调整，但其弊端也较为明显：1.有源器件和电路的增加会降低系统的可靠性，尤其是有源器件的故障，会导致整个系统无法工作。2.有源器件通常是封闭在金属或其他材料的腔体内，并且腔体内因为有其他功率器件的散热，会导致其温度变化与室外环境温度有较大差距，不能反映温度变化对透镜结构的影响。3.有源器件通常采集的反馈信号来自于末级放大器的输出耦合信号，因此其增益稳定电路只能调整末级放大器的输出信号，而对馈入天线系统的信号无法做到有效的温度自适应。现有技术的介质透镜加载天线的设计集中于透镜本身一些技术参数和结构设计，根据设计频段和辐射指标的的要求固定了透镜的材料，厚度，孔径和孔间距，透镜与辐射天线之间的间距也是固定的。但这种设计的缺点是透镜材料会随着温度的变化产生结构上的微变，而电磁波的穿过透镜后的变化对透镜的这些结构参数是非常敏感的，透镜结构的微小变化会对系统的辐射特性，尤其是增益产生明显的影响。综上所述，现有的介质透镜加载天线的结构并没有解决好上述的问题。技术实现要素：为了实现宽温度范围内，天线既保持高增益，又能够随温度的变化自动调整增益，维持辐射特性的稳定性。本发明提供了一种具有增益自校正功能的天线系统，该发明是基于介质透镜高增益天线的结构组成特点，计算了介质透镜(一种打孔的超材料板材)结构的材料特性、结构特性、电磁特性，并对辐射天线进行了组合设计，将介质透镜与辐射天线之间的高度与环境温度一一对应的方法，既大大提升了天线的高增益，也把保证了不同温度下，天线系统辐射特性的稳定性。本发明的创新点在于改进了透镜加载天线的构成方式，采用调整辐射天线与透镜距离的方式来平衡温度对透镜透射特性的影响，尤其是对天线增益的影响，做到了天线增益随温度变化而保持相对稳定。本发明的具体内容为：具有增益自校正功能的天线系统，包括衬底铝板1、底座2、辐射天线3、介质透镜板4和升降装置，其中：在衬底铝板1的底部设有底座2。在衬底铝板1的顶部设有辐射天线3。在辐射天线3的上方设有介质透镜板4。通过升降装置将介质透镜板4与衬底铝板1活动连接，且通过升降装置调节介质透镜板4与辐射天线3之间的相对距离。本发明的技术方案进一步解释如下：本发明所以提供的温度自适应高增益天线主要由以下四个主要部分构成：衬底铝板及底座，辐射天线，介质透镜板和升降电路构成。对于某个辐射频率的天线系统来说，若辐射天线确定，可以通过在辐射方向的上方加介质透镜进行辐射相位的调整，进而大大提升其增益，改善其辐射特性。其中，本发明的核心技术之一是介质透镜对电磁波的透射常数和介质透镜与辐射天线之间的距离。本发明的原理是利用介质透镜不同的孔径大小，形成不同的等效介电常数，调整天线的辐射相位，提升天线增益。本发明针对温度变化较大时，介质透镜的结构常数会发生变化，导致透射特性变化的问题，通过改变相位间距的方法，修正增益和波束变化。本发明中的辐射天线可以是微带天线、喇叭天线、八木天线等多种形式天线，也可以是阵列天线。本发明中的介质透镜板采用高介电常数的微波板材，在上面打上不同孔径的通孔以改变材料的等效介电常数，以改变不同位置，电磁波穿过透镜后的相位改变，最终达到调整电磁波由天线辐射出来的球面波，尽量使穿过介质透镜后的电磁波平面化。本发明中的优选技术方案是通过高低温试验，测试-50℃至70℃范围内打孔介质透镜的热胀冷缩数据，再结合不同温度下打孔介质透镜的结构变化数据，对介质透镜和天线之间的间距进行合理的选取、仿真、验证的，能够得到稳定的增益。带有温度传感器的升降杆主要由温度传感器、精密升降杆和控制电路组成。根据预先存储好的升降数据，在温度传感器将采集到的外界温度传送到电路时，由电路查表给出对应的升降数值，控制介质透镜板与辐射天线之间的距离。有益的技术效果本发明针对现有的带有介质透镜的天线系统没有考虑介质透镜在宽温度范围内的热膨胀效应的问题，针对现有技术产品没有考虑介质透镜的等效介电常数受其厚度、通孔直径和密度影响的问题——这些参数较为敏感当等效介电常数改变时，以不同角入射的电磁波通过介质透镜板时，相位会有明显改变。而之前的相关天线系统没有这种情况进行有效处理。因此不能天线系统在宽温度范围内有着稳定的辐射特性。本发明采用自适应高度调整来补偿介质透镜的温度变化系数，有效的解决了天线系统在宽温度范围下的增益波动和波束变化。本发明有效的利用了介质透镜板与天线高度对辐射特性的影响，将介质透镜在宽温度变化范围内结构微变对电磁波造成的影响进行了很好的补偿，克服介质透镜应用在宽温领域的弊端。同时，本发明对辐射天线和介质透镜本身没有限制要求，适应性强，且对相位进行了精确的补偿，优点体现如下：(1)在辐射天线的方面：本发明适合的辐射天线有：vivaldi天线、喇叭天线、八木天线、微带贴片天线等等。本发明的两个典型应用分别为：频段的中心频率为24GHz的天线系统和中心频率为60GHz的天线系统，保证其增益达到12dBi以上，同时驻波小于1.6。微带天线采用ROGERS4003，整个天线固定在四周有定位孔的衬底铝板上，方便加载介质透镜板。(2)在介质透镜板的方面整个天线系统设计中，介质透镜的设计最为关键。通过电磁波仿真设计软件，本发明对通孔微波板材进行详尽的结构与等效介电常数之间数值关系进行了分析和优选。在介电常数和面积一定的微波板材上，通过控制通孔的直径D、孔心间距d、板材厚度h、以及电磁波的入射角度四个关键参数的数值大小，能够定量控制不同频率电磁波通过透镜后，其幅度和相位的改变量。这里，我们D、d、h加工制作好之后，是不能随意人工调整的，其会随着环境温度改变而有对应的膨胀系数，尤其孔径直径D随着膨胀程度的变化，对电磁波相位的改变较为明显。本发明根据D、d、H在不同温度下的结构数据，获得对应的不同高度H的优选参数范围(详见后续的表格)，使得电磁波穿过透镜后，其相位和幅度能够保证相对稳定。(3)含有温度传感器的数控升降平台本发明中的升降平台主要由四根精密螺纹杆、伺服电机、数控电路等组成，其高度调节精度为0.1mm，由内部陀螺仪自动调整使其水平。板材参数与H的对应数据表存储在数字电路内部，由温度传感器送入环境的实际温度数值，根据对比表格，有数控电路对升降杆进行升降调整，达到调整H的目的，保证了在不同环境温度下，辐射电磁波穿过介质透镜后，其幅度和相位改变保持稳定，保证整个天线系统拥有稳定自适应的优异辐射性能。本发明既将介质透镜加载天线的高增益性能完全发挥出来，又将介质透镜对温度变化的敏感性定量分析，并做了较好的补偿。本发明使得介质透镜加载天线能够用于宽温变化的使用环境，并且保证稳定的辐射性能。同时，本发明在结构设计上较为简单易行，天线架设与调试上方便简洁，具有很好的实际使用价值，尤其是室外高增益通讯领域。目前发明团队已将发明用于24GHz和60GHz高增益通讯天线测试中，辐射天线微带天线，介质透镜微波透镜采用的是ROGESTMM10，介电常数9.2，根据-50℃至60℃的温度变化范围，对透镜的投射特性进行了测试，得出了不同环境温度下的电磁波透射参数。在HFSS软件中进每隔10℃进行仿真计算，得出介质透镜与辐射天线的对应高度，存储在控制电路中。本发明将介质透镜变化与辐射天线变化做了一个对应补偿，克服了介质透镜对温度变化的敏感性。与现有技术相比，本发明提供了一种方便的辐射特性补偿方法，能够使介质透镜加载天线应用于宽温变化的环境中。附图说明图1为本发明所述24GHz辐射天线示意图。图2为本发明所述24GHz介质透镜俯视图。图3为本发明所述24GHz天线系统构成示意图。图4为本发明所述系统衬底板仰视图。图5为本发明所述系统衬底板示意图。图6为本发明所述23GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。图7为本发明所述24GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。图8为本发明所述25GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。图9为本发明所述60GHz介质透镜俯视图。图10为本发明所述60GHz天线系统组成示意图。图11为本发明所述60GHz辐射天线正反面结构示意图(左图正面，右图反面，单位：mm)。图12为本发明所述60GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。图13为本发明所述59GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。图14为本发明所述61GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。具体实施方式现结合附图对本发明做进一步描述。该实施实例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的适用范围。在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改，均落于本申请所附权利要求所限定的范围。参见图3和10，具有增益自校正功能的天线系统，包括衬底铝板1、底座2、辐射天线3、介质透镜板4和升降装置，其中：参见图4和5，在衬底铝板1的底部设有底座2。在衬底铝板1的顶部设有辐射天线3。在辐射天线3的上方设有介质透镜板4。通过升降装置将介质透镜板4与衬底铝板1活动连接，且通过升降装置调节介质透镜板4与辐射天线3之间的相对距离。进一步说，介质透镜板4的工作频率在18GHz至90GHz之间。参见图3，升降装置包括温度传感器、升降杆5和控制模块6，其中，在升降杆5上设有温度传感器。升降杆5的升降驱动电路、温度传感器分别与控制模块6相连接。温度传感器向控制模块6反馈升降杆5周围的环境温度信号。控制模块6依据接收到的环境温度信号，向升降杆5的升降驱动电路下达运动命令，进而驱动升降杆5上升或下降，从而实现介质透镜板4与辐射天线3之间的相对距离的增大或减小，达到调节介质透镜板4的增益的目的。进一步说，介质透镜板4的底面与辐射天线3的顶面之间的相对距离在5.0mm至30.0mm之间。本天线系统根据环境温度的变化程度，调整升降装置的伸展长度，本天线系统的环境温度范围在-50℃至55℃之间：当天线系统的环境温度在-50℃至55℃时，通过升降装置上升将介质透镜板4与辐射天线3之间的相对距离在5.0mm～30.0mm之间调节。参见图2、3和9，在介质透镜板4上开有贯穿孔。所述贯穿孔垂直于介质透镜板4的底面。贯穿孔呈矩阵排列。由贯穿孔组成矩阵不少于5行、不少于5列。进一步说，介质透镜板4上的贯穿孔的直径在0.05mm至4.00mm之间。相邻贯穿孔之间的间距在1.0mm至6.0mm之间。参见图2，进一步说，介质透镜板4的顶面为方形。以介质透镜板4边长的中心为原点，设2条平行于边长的对称轴：x向对称轴和y向对称轴。由贯穿孔组成的矩阵为2m行2m列，m不小于2。将由贯穿孔组成的矩阵分成4个子矩阵：左上矩阵、右上矩阵、左下矩阵和右下矩阵。每个子矩阵均由m×m个贯穿孔组成。其中，左上矩阵与右上矩阵、左下矩阵与右下矩阵相对于y向对称轴对称，左上矩阵与左下矩阵、右上矩阵与右下矩阵相对于x向对称轴对称。靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径趋向于0.05mm。靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径趋向于4.00mm。参见图2，进一步说，当介质透镜板4的工作频率为24GHz时：通过升降装置，介质透镜板4的底面与辐射天线3的顶面之间的相对距离在19.1mm至20.3mm之间。贯穿孔的直径在0.20mm至1.85mm之间。相邻贯穿孔的间距为4.00mm。由贯穿孔组成的矩阵为12行12列。将由贯穿孔组成的矩阵分成4个子矩阵：左上矩阵、右上矩阵、左下矩阵和右下矩阵。每个子矩阵均由6×6个贯穿孔组成。其中，左上矩阵与右上矩阵、左下矩阵与右下矩阵相对于y向对称轴对称，左上矩阵与左下矩阵、右上矩阵与右下矩阵相对于x向对称轴对称。靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径趋向于0.20mm。靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径趋向于1.85mm。参见图2，进一步说，优选的方案是，用C(s,t)标记位于左上矩阵中贯穿孔，其中，s为行，取1至6。t为列，取1至6，将左上矩阵中的贯穿孔归为12个分区域：第1区域包含C(1,1)，该区域的贯穿孔的直径为1.85mm。第2区域包含C(2,1)、C(1,2)，该区域的贯穿孔的直径为1.75mm。第3区域包含C(3,1)、C(2,2)、C(1,3)，该区域的贯穿孔的直径为1.65mm。第4区域包含C(4,1)、C(1,4)，该区域的贯穿孔的直径为1.60mm。第5区域包含C(6,1)、C(5,1)、C(3,2)、C(2,3)、C(1,5)、C(1,6)，该区域的贯穿孔的直径为1.50mm。第6区域包含C(5,2)、C(4,2)、C(3,3)、C(2,4)、C(2,5)，该区域的贯穿孔的直径为1.30mm。第7区域包含C(6,2)、C(4,3)、C(3,4)、C(2,6)，该区域的贯穿孔的直径为1.10mm。第8区域包含C(5,3)、C(3,5)、C(3,6)，该区域的贯穿孔的直径为0.85mm。第9区域包含C(4,4)，该区域的贯穿孔的直径为0.75mm。第10区域包含C(6,3)、C(5,4)、C(4,5)、C(4,6)，该区域的贯穿孔的直径为0.60mm。第11区域包含C(6,4)、C(6,5)、C(5,5)、C(5,6)，该区域的贯穿孔的直径为0.45mm。第12区域包含C(6,6)，该区域的贯穿孔的直径为0.20mm。此外，右上矩阵内各贯穿孔的直径，与左上矩阵内各贯穿孔的直径相对于y向对称轴对称。右上矩阵内各贯穿孔的直径，与左上矩阵内各贯穿孔的直径对于y向对称轴对称。右下矩阵内各贯穿孔的直径，与左上矩阵内各贯穿孔的直径对于x向对称轴对称。优选的方案是，介质透镜板4的底面与辐射天线3的顶面之间的相对距离同本天线系统的环境温度的关系具体如下：参见图9，进一步说，介质透镜板4的顶面为矩形。以介质透镜板4边长的中心为原点，设2条平行于边长的对称轴：x向对称轴和y向对称轴。由贯穿孔组成的矩阵为2n+1行2n+1列，n不小于2。位于第n+1列、第n+1行的贯穿孔与介质透镜板4顶面的中心相重合。令位于第n+1列、第n+1行的贯穿孔为原点贯穿孔。第n+1列的贯穿孔与y向对称轴相重合，第n+1行的贯穿孔与x向对称轴相重合。余下的贯穿孔被分成4个子矩阵：左上矩阵、右上矩阵、左下矩阵和右下矩阵。其中，每个子矩阵均由n×n个贯穿孔组成。其中，左上矩阵与右上矩阵、左下矩阵与右下矩阵相对于y向对称轴对称，左上矩阵与左下矩阵、右上矩阵与右下矩阵相对于x向对称轴对称。参见图9，进一步说，靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径趋向于0.05mm。靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径趋向于4.00mm。且相邻的贯穿孔之间，靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径小于靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径。换言之，将位于第n+1列、第n+1行的贯穿孔记为原点贯穿孔。将余下的贯穿孔划分在i个矩形环上，i取值1至n。其中，最远离原点贯穿孔的矩形环称为第1矩形环，最靠近原点贯穿孔的矩形环称为第n矩形环。位于同一个矩形环上的贯穿孔的直径相等。位于第i个矩形环上的贯穿孔的直径大于位于第i-1个矩形环上的贯穿孔的直径。参见图9，当介质透镜板4的工作频率为60GHz时：通过升降装置，介质透镜板4的底面与辐射天线3的顶面之间的相对距离在10.90mm至11.20mm之间。贯穿孔的直径在0.200mm至0.775mm之间。相邻贯穿孔的间距为2.000mm。由贯穿孔组成的矩阵为13行13列。位于第7列、第7行的贯穿孔与介质透镜板4顶面的中心相重合。令位于第7列、第7行的贯穿孔为原点贯穿孔。第7列的贯穿孔与y向对称轴相重合，第7行的贯穿孔与x向对称轴相重合。余下的贯穿孔被分成4个子矩阵：左上矩阵、右上矩阵、左下矩阵和右下矩阵。其中，每个子矩阵均由6×6个贯穿孔组成。其中，左上矩阵与右上矩阵、左下矩阵与右下矩阵相对于y向对称轴对称，左上矩阵与左下矩阵、右上矩阵与右下矩阵相对于x向对称轴对称。参见图9，进一步说，靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径趋向于0.200mm。靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径趋向于0.775mm。且相邻的贯穿孔之间，靠近介质透镜板4中心的贯穿孔的直径小于靠近介质透镜板4边缘的贯穿孔的直径。优选的方案是，将位于第7列、第7行的贯穿孔记为原点贯穿孔，原点贯穿孔的直径为0.200mm。将余下的贯穿孔划分在i个矩形环上，i取值1至6。其中，最远离原点贯穿孔的矩形环称为第1矩形环，最靠近原点贯穿孔的矩形环称为第6矩形环。位于第1个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.775mm。位于第2个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.710mm。位于第3个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.585mm。位于第4个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.440mm。位于第5个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.360mm。位于第6个矩形环上的贯穿孔的直径均为0.250mm。优选的方案是，介质透镜板4的底面与辐射天线3的顶面之间的相对距离同本天线系统的环境温度的关系具体如下：在本发明中，高度的数值是由孔径变化决定的，而孔径随温度变化后，其对电磁波透射特性的影响不是线性的，因此，本发明中的调节关系可以为线性的，也可以为非线性的。实施例1：24GHz点对点移动通讯系统本发明采用以下技术方案：一种温度自适应的高增益天线硬件部分主要由辐射天线、高精度升降杆和介质透镜构成。辐射天线3采用常规的微带贴片结构，结构如图1所示。该结构为微带贴片的辐射天线3的尺寸为3.76×5.02mm、基板的尺寸为40×40mm。所述微带贴片基板选料为ROS5880，金属层为35um厚度的铜，镀层为金。根据辐射天线的辐射特性，介质透镜尺寸如图2所示，介质透镜板4的尺寸为54×54mm。介质透镜板4上贯穿孔图的尺寸数值如表1所示。表1：24GHz介质透镜通孔直径及孔间距名称描述尺寸(mm)1通孔直径1.852通孔直径1.753通孔直径1.654通孔直径1.65通孔直径1.56通孔直径1.37通孔直径1.18通孔直径0.859通孔直径0.7510通孔直径0.611通孔直径0.4512通孔直径0.2d通孔圆心间距(所有通孔一致)4温度在50℃至60℃变化时，为保持电磁波透过透镜后的增益相对稳定，其透镜和微带天线之间的间距与温度的对应关系如下表2所示进行调节。表2：不同的环境温度下，24GHz介质透镜与辐射天线之间的间距如图1所示，本实施例中辐射天线采用微带贴片阵列，底部由SMA接头馈电，可应用的频率为23-25GHz。高度升降电路通过查表给出每个升降杆的升降高度，如表2所示。首次安装时，控制器的数据需人工根据初始温度设置初始数据。CPU中的存储数据为设计时，根据24GHz中心频率下，-50℃至60℃时，介质透镜的孔径变化情况设计的对应高度调整数值。介质透镜为ROGESTMM10,其介电常数为9.2，厚度为8.7mm。非均匀打孔，打孔的密度和直径根据入射波的角度确定，而入射波的角度由透镜与辐射天线的距离确定，如图2所示。因此，孔径的大小与透镜与辐射天线的高度差一一对应。孔的直径的大小见表1。整个系统安装在铝制基板上，基板厚度15mm，做导电氧化处理，基板水平度和高度由四个定位螺钉控制，SMA接头馈电接头安装在基板背面，如图4和图5所示。图7为本实施例所述24GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线。常温下(25℃)，加载打孔介质透镜后，天线辐射增益约为12dBi。在-50℃至60℃时，如不对透镜与辐射贴片之间的高度进行调整，24GHz频点增益变化范围0.8dB，如按照本发明对相应高度进行调整，24GHz增益变化范围0.4dB，变化范围缩小了一倍，可见本发明对增益稳定具有明显的效果。此外，图6为采用本发明的23GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线，图8为采用本发明的25GHz频点天线系统辐射增益随温度变化曲线，同样可见其采用本发明后对增益稳定具有明显的效果。实施例2：60GHz点对点移动通讯系统本发明采用以下技术方案：一种温度自适应的高增益天线硬件部分主要由辐射天线、高精度升降杆和介质透镜构成，如图10所示。60GHz点对点移动通讯系统的天线构成和24GHz的基本相同，所不同的是辐射天线的形式为对称振子，介质透镜的超材料板材的厚度，孔径、与辐射天线的间距等结构尺寸按下文进行设定。介质透镜材料为ROGESTMM10,其介电常数为9.2，厚度为7.5mm。如图9所示，图中贯穿孔的尺寸数值按表3设置。表3：60GHz介质透镜通孔直径及孔间距名称描述尺寸(mm)1通孔直径0.7752通孔直径0.713通孔直径0.5854通孔直径0.445通孔直径0.366通孔直径0.257通孔直径0.2d通孔圆心间距(所有通孔一致)2辐射天线采用常规的微带对称振子结构，结构尺寸示意图如图11所示。在本实施例中，介质透镜与辐射天线之间的间距按表4进行设定：表4：根据不同的环境温度，60GHz介质透镜与辐射天线之间的间距原始天线与采用本发明的改进天线系统的增益特性对比见图12至图14，可以看出，本发明在60GHz附近的点对点通信的应用中，也具有明显的增益稳定效果，将增益的波动由0.8dBi，降低到0.4dBi。当前第1页1 2 3