基于龍伯透鏡的低剖面陣列天線

桂萬(wàn)如，季文濤

（合肥若森智能科技有限公司，合肥 230088）

0 引言

傳統(tǒng)的平面相控陣天線掃描角度通常不超過(guò)±45°，否則會(huì)導(dǎo)致天線的等效口徑減小、陣列輻射方向圖增益降低、副瓣升高，有限的掃描角度限制了其應(yīng)用[1]。

R. K. Luneburg提出了一種球梯度折射率的透鏡結(jié)構(gòu)并分析了其特性[2]，這種透鏡可以將某個(gè)方向入射的平面波聚焦于透鏡表面一點(diǎn)，使安裝在透鏡表面的饋源能夠?qū)崿F(xiàn)高定向性輻射，具備這種特征的透鏡被稱(chēng)作“龍伯透鏡（Luneburg Lens）”。利用這一原理，將陣列天線單元置于龍伯透鏡表面，可用于接收或發(fā)射來(lái)自各個(gè)方向的平面波束，且可以保證各波束具有相同的形狀和增益，因此可用于實(shí)現(xiàn)大角度波束掃描。

龍伯透鏡的球形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其難以適用于對(duì)天線剖面高度和體積、重量有嚴(yán)格限制的場(chǎng)合，近年來(lái)也有專(zhuān)家學(xué)者提出利用多個(gè)具有較小直徑龍伯透鏡組成陣列的設(shè)想[3]，使得天線剖面高度和體積、重量均小于用單個(gè)龍伯透鏡實(shí)現(xiàn)的同等口徑面積天線，但并未指出應(yīng)以何種方式對(duì)龍伯透鏡陣列饋電以實(shí)現(xiàn)大角度波束掃描。

如何利用基于龍伯透鏡陣列實(shí)現(xiàn)具有大角度掃描和通信功能的陣列天線成為工程應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 基于龍伯透鏡的低剖面陣列天線

為了克服傳統(tǒng)相控陣天線波束掃描范圍有限的缺點(diǎn)，以及基于單個(gè)龍伯透鏡的陣列天線剖面高度過(guò)高、體積重量過(guò)大的缺點(diǎn)，我們利用多個(gè)較小直徑的龍伯透鏡組成陣列，代替與其口徑面積相同的單個(gè)較大直徑龍伯透鏡，在保持基于龍伯透鏡的陣列天線大角度掃描能力基礎(chǔ)上，大幅降低其剖面高度和體積重量。

天線由多個(gè)相同直徑的龍伯透鏡單元組成二維透鏡陣列，在每個(gè)龍伯透鏡單元表面放置天線陣列，這些龍伯透鏡單元在同一水平面上呈二維排布，在互相垂直的方向上分別排布M和N個(gè)透鏡單元（M和N均大于等于1）。每個(gè)龍伯透鏡單元下表面處排布由微帶天線組成的二維弧面陣，天線單元采用雙端口饋電方式，兩端口的饋電相位差為90度。天線的整體示意圖如圖1所示。

對(duì)置于每個(gè)龍伯透鏡單元表面的具有相同編號(hào)的一組天線單元均同時(shí)饋電，并對(duì)位于不同龍伯透鏡表面處具有相同編號(hào)的天線單元施加由透鏡單元相對(duì)位置決定的饋電相位差，可以使整個(gè)天線的輻射方向圖具有一定的波束指向。由此分別對(duì)置于每個(gè)龍伯透鏡單元表面處的具有相同編號(hào)的不同組天線單元順序饋電，即可使天線的輻射方向圖實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的二維大角度波束掃描。

圖1 基于龍伯透鏡陣列的低剖面陣列天線由3×3單元的二維龍伯透鏡陣列

龍伯透鏡及其饋電的天線陣列結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。采用直徑為140mm的龍伯透鏡，相鄰龍伯透鏡單元球心間距為158mm。每個(gè)龍伯透鏡單元表面的微帶天線陣列由25個(gè)微帶天線單元沿圓弧面排布而成，相鄰微帶天線單元中心與龍伯透鏡球心的夾角均為22°。微帶天線單元在單層介質(zhì)覆導(dǎo)體印刷電路板上制作，由兩層金屬表面層之間夾一層介質(zhì)基板構(gòu)成，上下表面均為銅箔，厚度為0.018mm。下表面金屬銅層構(gòu)成天線的地，尺寸為28mm×28mm。矩形介質(zhì)基板的介電常數(shù)為10.2，厚度為8mm，尺寸為28mm×28mm。上表面金屬銅層為采用印刷電路工藝制作的矩形金屬貼片，尺寸為16.8mm×16.8mm。饋電端口分別位于上表面金屬銅層的中心偏一側(cè)位置，距中心均為4.8mm，兩端口與中心的連線互相垂直，采用同軸饋電方式，同軸內(nèi)芯接上層金屬貼片，外壁接下層金屬地板，接口阻抗50Ω。

圖2 龍伯透鏡及其饋電的天線陣列結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果

我們?cè)?.15-2.35GHz頻帶內(nèi)，以中心頻點(diǎn)2.25GHz對(duì)此陣列天線進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示天線的掃描角度可以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖3是每個(gè)龍伯透鏡單元表面的微帶天線陣列回波損耗圖。由圖可見(jiàn)，在2.15-2.35GHz頻率范圍內(nèi)，天線陣列的回波損耗小于-10dB，體現(xiàn)出諧振特性。

圖3 單個(gè)龍伯透鏡單元表面微帶天線陣列回波損耗圖

圖4 單個(gè)龍伯透鏡單元的天線陣列饋電波束掃描方向圖

圖4是對(duì)其中一個(gè)龍伯透鏡單元表面的天線陣列饋電的E面和H面波束掃描方向圖，工作頻率為2.25GHz。由圖可見(jiàn)，當(dāng)波束指向0°時(shí)，其增益為9.9dB；當(dāng)波束指向-71°時(shí)，其增益為9.8dB；當(dāng)波束指向71°時(shí)，其增益為9.8dB；波束掃描范圍為±71°。圖5是對(duì)所有龍伯透鏡單元表面的天線陣列饋電的E面和H面波束掃描方向圖，工作頻率為2.25GHz。由圖可見(jiàn)，當(dāng)波束指向0°時(shí)，其增益為19.2dB；當(dāng)波束指向-71°時(shí)，其增益為16.8dB；當(dāng)波束指向71°時(shí)，其增益為17.0dB；波束掃描范圍為±71°。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首次提出了利用陣列天線對(duì)由多個(gè)龍伯透鏡單元組成的透鏡陣列饋電，以實(shí)現(xiàn)大角度波束掃描。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，基于龍伯透鏡陣列的低剖面陣列天線與傳統(tǒng)相控陣天線相比，波束掃描范圍能夠從±45°擴(kuò)展到±71°，與具有相同口徑面積的基于單個(gè)龍伯透鏡的陣列天線相比，剖面高度和體積重量均大大降低。同時(shí)，對(duì)每個(gè)龍伯透鏡單元表面的天線陣列單元順序饋電降低了天線饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度，可方便調(diào)節(jié)輻射增益以適應(yīng)不同反射面尺寸及焦距的需求。

多個(gè)透鏡單元可以相同大小，也可以不同大小，組成的透鏡陣列可以直線排列、矩形排列或者其他賦形排列方式。為實(shí)現(xiàn)高增益和大角度掃描，多個(gè)龍伯透鏡單元之間的距離應(yīng)使最大覆蓋角度方向處的電磁波不被遮擋，或者遮擋盡可能少。