基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化陣列天線

桂萬如，楊如意

（合肥若森智能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過適當(dāng)激勵獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線，其所用的輻射源可以根據(jù)天線饋電電流、間距、電長度等不同參數(shù)，按照直線或者其他復(fù)雜形式來構(gòu)成陣列以獲取和調(diào)節(jié)最優(yōu)的輻射方向特性，由此在現(xiàn)代移動通信、衛(wèi)星通信、廣播電視等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的推動，人們對陣列天線的研究也日益成為一個重要的方向。

按照天線單元的排列可將陣列分為線陣和面陣。最常用的線陣是各單元的中心依次等距排列在一個直線上的直線陣，線陣的各單元也可以不等距排列，或者各單元中心不排列在一條直線上，例如，排列在圓周上。多個直線陣在某一個平面上按一定間隔排列就構(gòu)成了平面陣，若各單元的中心排列在球面上就構(gòu)成了球面陣。天線陣按輻射圖形的指向可分為側(cè)射天線陣、端射天線陣和既非側(cè)射又非端射的天線陣。側(cè)射天線陣是最大輻射方向指向陣軸或陣面垂直方向的天線陣；端射天線陣是最大輻射方向指向陣軸方向的天線陣；最大輻射方向指向其他方向的天線陣為既非側(cè)射又非端射的天線陣。

陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻射場的矢量和。由于各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨(dú)立調(diào)整，這就使陣列天線具有單個天線無法實(shí)現(xiàn)的可調(diào)輻射參數(shù)等優(yōu)勢。

當(dāng)前陣列天線在衛(wèi)星通信應(yīng)用過程中，具有兩個方面的主要問題：一個是副瓣電平高，在衛(wèi)星通信中，高副瓣電平會導(dǎo)致對臨近衛(wèi)星的干擾。另一個是交叉極化比低，導(dǎo)致天線使用時的收發(fā)天線隔離度降低，影響天線性能。

2 基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化陣列天線

我們利用龍勃透鏡具有的“將來自某個方向入射的平面波聚焦于透鏡表面上的一點(diǎn)，使安裝在透鏡表面的饋源能夠?qū)崿F(xiàn)高定向性輻射”特征[2]，將陣列天線單元置于龍勃透鏡表面，用于接收或發(fā)射來自各個方向的平面波束[3]，可以保證各波束具有相同的形狀和增益，實(shí)現(xiàn)了大角度波束掃描，并解決了現(xiàn)有的陣列天線副瓣電平高、交叉極化比低的問題。

基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化比陣列天線采用1×N天線陣綜合方法，天線陣由微帶饋源和龍勃透鏡單元組成，微帶饋源的間距與龍勃透鏡單元的尺寸相關(guān)，通過對微帶饋源的功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅度加窗和180°反相饋電，可實(shí)現(xiàn)低副瓣和高交叉極化比。

圖1為我們所設(shè)計(jì)的1×6龍勃透鏡天線陣列，它由1個饋源和6個龍勃透鏡單元組成，每個龍勃透鏡單元的直徑為80 mm，分別對應(yīng)1個微帶輻射器。通過對6個微帶輻射器進(jìn)行并聯(lián)饋電設(shè)計(jì)，可大幅度提升副瓣性能。

圖1 1×6龍勃透鏡陣列

如圖2所示，對饋電網(wǎng)絡(luò)加泰勒窗進(jìn)行不等功分設(shè)計(jì)，可以降低該陣列天線的副瓣，同時水平極化方向左側(cè)三個饋源和右側(cè)三個饋源采用180°反相饋電設(shè)計(jì)，可有效提高交叉極化比。其中，不等功分設(shè)計(jì)主要是根據(jù)一維泰勒權(quán)系數(shù)，計(jì)算出不同位置微帶輻射饋源的功率分配比，再將這個功率分配比加入到饋電網(wǎng)絡(luò)中，饋電網(wǎng)絡(luò)中不同的線寬對應(yīng)不同的功率。

圖2 1×6陣列饋電網(wǎng)絡(luò)

3 仿真結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4，其中，θ角為俯仰角，φ角為方位角。圖3中，上端的曲線φ=90°，下端的曲線φ=0°；圖4中上端的曲線φ=0°，下端的曲線φ=90°。

圖3 Gain Phi仿真結(jié)果

圖4 Gain Theta仿真結(jié)果

通過圖3、圖4可以看出，使用了龍勃透鏡單元的陣列天線，增益能得到大幅度提高，且具有-18.7 dB的超低副瓣，同時具有-51.8 dB的高交叉極化比，性能得到極大優(yōu)化。

4 結(jié)束語

通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，陣列天線通過在饋源上放置龍勃透鏡可大幅提高天線的增益，在80 mm×480 mm口徑范圍內(nèi)，增益可達(dá)到26.5 dB。同時對饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅度加窗和180°反相饋電設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了天線的副瓣和提高了天線的交叉極化比。

本陣列天線的副瓣遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)天線的-13.5 dB，且對增益的影響不到0.1 dB。陣列天線在設(shè)計(jì)帶寬內(nèi)的交叉極化比均小于-40 dB，屬高交叉極化比。天線綜合性能指標(biāo)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的陣列天線，可廣泛應(yīng)用于對輻射特性要求較高的衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。