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简介
平面透镜天线是一种将传统曲面透镜“压扁”的平板天线。它利用平面结构上无数个微小的单元，模拟透镜对电磁波的相位调整功能。其核心任务是：将馈源发出的球面波，在校正后变成定向辐射的平面波，从而实现高增益。
平面透镜天线设计的核心是利用平面结构来模拟传统曲面透镜的相位补偿功能。这通常意味着要在薄片结构上实现从馈源发出的球面波到平面波的相位变换。
设计流程
指标与馈源选择
根据需求明确中心频率、带宽、增益（决定口径尺寸）、波束指向等参数。馈源通常选择标准增益喇叭，其辐射方向图近似为cos q ( θ ) \cos^q(\theta)cosq(θ)，需精确建模作为相位补偿的依据。
单元设计与相位仿真
这是设计的核心基础。单元需满足：在目标频带内，传输系数∣ S 21 ∣ ≥ − 1 dB |S_{21}| \ge -1\text{dB}∣S21∣≥−1dB且平坦；相位覆盖范围≥ 360 ∘ \ge 360^\circ≥360∘，并建立相位-结构尺寸的对应曲线。
典型单元结构有：
- 接收-发射式：上下两层贴片，通过金属化过孔连接，用移相线控制相位。
- 多层频率选择表面：级联多个容性/感性表面，调整层间距和尺寸。
- 介质嵌入式：在单元中嵌入变容二极管，适用于可重构设计。单谐振单元通常覆盖不到360°，必须采用多谐振结构。
阵面计算与布阵
这是理论关键。目标是让馈源发出的球面波，经过阵面不同位置i ii后，所有射线在出射口面的相位齐平。
核心公式为路径补偿法，单元i ii所需提供的补偿相位ϕ i \phi_iϕi为：
ϕ i = k 0 ⋅ d i + Δ ϕ 0 \phi_i = k_0 \cdot d_i + \Delta\phi_0ϕi=k0⋅di+Δϕ0
其中，k 0 = 2 π λ 0 k_0 = \frac{2\pi}{\lambda_0}k0=λ02π是自由空间波数，d i d_idi是馈源相位中心到第i ii个单元的距离。Δ ϕ 0 \Delta\phi_0Δϕ0是一个常数参考相位，目的是将所需相位值搬移到单元可实现的360°范围内。
- 对于定向波束：所有单元的ϕ i \phi_iϕi补偿后，使口径面等相位。
- 对于波束扫描：需在ϕ i \phi_iϕi上叠加一个线性相位梯度。
全波仿真与优化
在HFSS、CST中建立周期边界模型仿真单元，再将相位赋予每个单元进行小规模阵列仿真以验证方向图。由于单元间互耦和边缘效应，通常需要1-2轮迭代优化。
注意事项
- 焦径比：透射阵设计中，F/D 是核心权衡参数。F/D 大，照射均匀、效率高，但剖面高；F/D 小，结构紧凑，但边缘照射电平低、口径效率下降。通常选 0.7-1.0。
- 损耗来源：主要包括单元传输损耗（欧姆损耗）、溢出损耗（馈源能量未全部截获）和相位量化损耗（连续相位被离散化）。
- 性能评估：设计完成后，需评估口径效率、旁瓣电平、交叉极化鉴别度等指标。
设计实例
单元设计
透镜单元参考“Wideband_Transmitarray_With_Reduced_Profile”一文的经典移相单元，如下所示：
移相曲线仿真
对关键参数W 1 W_1W1进行参数扫描，获得参数相位曲线如下所示：
馈源设计
采用波导口作为透镜天线的馈源，模型和方向图如下所示：
阵面设计和仿真
阵面距离馈源的高度为30mm，通过设置不同相位的阵元，让馈源发出的球面波经过阵面
后的相位齐平。
法相波束
阵面设置如下所示：
仿真得到的方向图如下所示：
扫描波束
阵面设置如下所示：
仿真得到的方向图如下所示：
扭转波束
阵面设置如下所示：
仿真得到的方向图如下所示：
建模程序
基本使用说明
首先对需要建模的单一模型进行建模，单一模型是指的和控制相位相关的单一模型，比如长方体、圆柱体、长方形这些，比如上面的设计示例就是一个正方形。其他部分都是同一的结构，用阵列复制的办法就能建模。
1.新建相位控制变量
首先新建一个变量，该变量是单一模型的控制变量，控制透镜相位的变量，比如设计示例的正方形的边长，新建变量W 1 W_1W1
2.录制单一模型建模脚本
然后准备录制一个建模脚本，就是单一模型的建模脚本，保存为python脚本。
然后进行建模，示例是对正方形进行建模
3.更改脚本的set.txt的参数
然后根据要求更改set.txt参数，运行hfss_lens_exe程序就会自动生成一个example脚本，再使用HFSS的运行脚本功能，HFSS就会自动建模了。
4.注意事项
如果HFSS脚本运行时出现下面的错误是变量名重复使用了，因为不同规模的透镜，不同相位分辨率的透镜的建模变量可能不一样，需要把design的变量全部清除或者新建一个空白design用于运行建模脚本。
如果HFSS脚本运行时出现下面的错误是缺少变量h1，需要先建立一个变量h1，这种情况是用在圆柱体建模这种，h1是统一变量，r1是相位控制变量，r1是通过脚本控制的，h1可以人为控制。
所以比较好的办法是将录制脚本的design进行复制，然后重命名用于新的透镜阵列建模。这样就保留了统一变量参数，又通过脚本对相位控制变量进行更改。
进阶使用
可以进行对圆柱进行阵列脚本建模，组成平面龙勃透镜：
对于有多个需要变化的单元，需要建两个脚本，在两个design里面运行脚本进行建模，然后复制合并到一起，如下所示：
除了对模型的长宽高进行相位扫描，也可以对模型的旋转角度进行相位扫描，如下所示：
资源
HFSS透镜天线的模型和建模程序的资源链接如下：
链接: https://download.csdn.net/download/qq_23176133/93218190
