官正濤

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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V頻段圓柱龍伯透鏡天線設(shè)計(jì)*

官正濤**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種V頻段圓柱龍伯透鏡天線。在平行平板波導(dǎo)間，根據(jù)龍伯透鏡原理與介電常數(shù)等效原理，推導(dǎo)出了圓柱龍伯透鏡天線的理論設(shè)計(jì)公式，并結(jié)合商業(yè)仿真軟件高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)仿真分析和優(yōu)化，完成天線設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該V頻段圓柱龍伯透鏡天線增益為21.4 dBi，波束寬度為1.56°，副瓣電平為-14.7 dB。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，加工和測(cè)試驗(yàn)證V頻段圓柱龍伯透鏡天線的可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線增益為20.1 dBi，波束寬度為1.60°，副瓣電平為-11.1 dB，天線效率為45.7%，說(shuō)明該天線具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

V頻段衛(wèi)星通信；圓柱龍伯透鏡天線；平行平板傳輸線；孔徑效率

1 引 言

Ka頻段衛(wèi)星通信存在被地面干擾的可能性，且數(shù)據(jù)傳輸能力比不上美國(guó)的第三代全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System-III,GPS-III)和俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)分別采用的V頻段和激光鏈路。未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星星座通信會(huì)朝著更高的精度、更快的通信速率、更多的擴(kuò)展功能發(fā)展。60 GHz附近的V頻段由于氧氣的吸收衰減效應(yīng)，擁有對(duì)地球近乎完全的屏蔽特征(衰減大約15 dB/km)，具備天然超強(qiáng)的抗干擾、抗偵收、抗截獲的特性和更寬的信道帶寬，是未來(lái)星間通信的主要頻段。

衛(wèi)星通信V頻段60 GHz工作帶來(lái)的主要技術(shù)問(wèn)題是路徑傳輸損失大，需要高增益天線大功率工作。傳統(tǒng)的透鏡或反射面天線加機(jī)械伺服這類(lèi)高增益天線裝置由于存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、掃描速度慢、可靠性低等因素，不適合V頻段星座鏈路應(yīng)用。傳統(tǒng)的60 GHz毫米波段天線與信道技術(shù)星載應(yīng)用難度大。由于天線、元器件、單元尺寸狹小，有源收發(fā)組件及移相器的安裝設(shè)計(jì)困難大；傳統(tǒng)的電子相移網(wǎng)絡(luò)、切換網(wǎng)絡(luò)損耗巨大，且價(jià)格昂貴；功放效率低(7%～12%)，設(shè)備功耗大，發(fā)熱量大，高集成度射頻收發(fā)組件散熱問(wèn)題突出。因此，大規(guī)模二維相控陣天線也不適合V頻段衛(wèi)星通信應(yīng)用。

基于上述原因，業(yè)界提出了一種透鏡天線方案，實(shí)現(xiàn)二維電掃。為了實(shí)現(xiàn)俯仰面波束掃描，將多個(gè)透鏡天線單元上下疊層使用，每一層對(duì)應(yīng)不同的相位，等效一維相控陣。多波束圓柱透鏡天線用一段圓柱的介質(zhì)透鏡放置于平行板波導(dǎo)之間，這種天線在水平方向產(chǎn)生多波束掃描。饋電可采用波導(dǎo)組成圓弧陣列，水平放置在兩平行板導(dǎo)體之間，以產(chǎn)生水平方向多波束掃描。采用這種結(jié)構(gòu)可以兼有相控陣掃描和多波束掃描的優(yōu)點(diǎn)，降低信道實(shí)現(xiàn)的難度，并且，瞬時(shí)單列工作方式可大大降低收發(fā)組件散熱和功耗要求。

圓柱透鏡一般有兩種：圓柱均勻介質(zhì)透鏡和圓柱龍伯透鏡(非均勻介質(zhì)柱)[1]。圓柱均勻介質(zhì)透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，適合于小口徑天線，口徑增加后天線口徑效率降低，天線增益不能隨口徑增加而線性增加，口徑使用受限。圓柱龍伯透鏡不受口徑限定，適合任意口徑，并且口徑效率穩(wěn)定，其原理與龍伯透鏡原理相同，有圓柱多層龍伯透鏡和部分填充柱透鏡兩種實(shí)現(xiàn)方式。圓柱多層龍伯透鏡的設(shè)計(jì)方法可參考成熟的多層龍伯透鏡設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)化算法優(yōu)化各層介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度[2-4]，而部分填充柱透鏡的設(shè)計(jì)方法尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

本文提出的圓柱龍伯透鏡設(shè)計(jì)方法主要適用于部分填充柱透鏡，由龍伯透鏡原理與介電常數(shù)等效原理推導(dǎo)出部分填充柱透鏡的理論設(shè)計(jì)方法。通過(guò)V頻段圓柱龍伯透鏡天線的設(shè)計(jì)、仿真分析和加工實(shí)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)80%的天線孔徑效率，該天線實(shí)測(cè)具有20.1 dBi的天線增益。

2 天線原理

龍伯透鏡是一種折射率不均勻的介質(zhì)透鏡。這種透鏡的介質(zhì)折射率分布具有球?qū)ΨQ(chēng)性，即折射率n(r)僅與離球心的距離有關(guān)。它的工作原理是龍伯光學(xué)理論，如圖1所示。其中，點(diǎn)F為饋電點(diǎn)，亦是透鏡面上的焦點(diǎn)。透鏡內(nèi)部的折射率n為徑向尺寸r的函數(shù)，記為n(r)。龍伯透鏡中射線軌跡如圖1所示，如FNPQ，要使透鏡輻射口面具有高效率，必須使AB上為等相位面波前。從F點(diǎn)發(fā)出的每一射線FNPQ等電長(zhǎng)度，或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，平行波束的射線經(jīng)過(guò)介質(zhì)折射后都聚焦于同一點(diǎn)F，這就是龍伯透鏡內(nèi)介質(zhì)折射率確定的依據(jù)。確定射線軌跡要用到費(fèi)馬定律。經(jīng)過(guò)積分計(jì)算得到龍伯透鏡的折射率方程為[4]

圖1 龍伯透鏡原理圖

圓柱龍伯透鏡原理與龍伯透鏡的類(lèi)似，透鏡的介質(zhì)折射率分布具有柱對(duì)稱(chēng)性，即折射率n(r)僅與離圓柱軸線的距離有關(guān)，折射率從邊緣的1到軸線的2連續(xù)變化。部分填充柱透鏡利用介電常數(shù)等效原理，將介質(zhì)與空氣組合在圓柱軸線方向等效成低介電常數(shù)的人造介質(zhì)，滿足圓柱龍伯透鏡原理要求，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在平行平板之間部分填充均勻介質(zhì),當(dāng)介質(zhì)填充厚度隨著圓柱半徑變化,其整個(gè)平板波導(dǎo)中的等效介電常數(shù)是徑向位置的連續(xù)函數(shù)，起到了兩維非均勻介質(zhì)填充的作用,從而建立起具有連續(xù)可變等效折射率的圓柱龍伯透鏡。

圖2 部分填充柱透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

3 天線設(shè)計(jì)

由介電常數(shù)等效原理可知，混合均勻的兩種介質(zhì)的等效介電常數(shù)為

lgεe=v1×lgε1+v2×lgε2。

(1)

式中：εe為等效介電常數(shù)，v1和v2為介質(zhì)1和介質(zhì)2的體積百分比，ε1和ε2為介質(zhì)1和介質(zhì)2的介電常數(shù)。

考慮平行平板厚度為t=0.2λ，則介質(zhì)柱高度為0.3個(gè)波長(zhǎng)，可近似認(rèn)為兩種介質(zhì)的體積比為填充部分的高度比，代入理想龍伯透鏡的等效介電常數(shù)，可得部分填充介質(zhì)高度為

(2)

式中：d2(r)為介質(zhì)2高度，r為當(dāng)前位置到柱體軸線的距離，R為柱體的半徑，H為柱體的高度。一般介質(zhì)1都為空氣，上式簡(jiǎn)化為

(3)

式中：εr為填充介質(zhì)介電常數(shù)，εr>2，且介電常數(shù)越小，對(duì)機(jī)加工要求越低，材料損耗也越低。因此，聚四氟乙烯是電性能理想的透鏡介質(zhì)材料。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以上述的衛(wèi)星通信天線應(yīng)用為背景，設(shè)計(jì)V頻段圓柱龍伯透鏡天線。設(shè)天線孔徑的半徑R=18λ，天線孔徑的高度H=0.3λ，透鏡介質(zhì)材料采用聚四氟乙烯，其電特性參數(shù)為：介電常數(shù)εr=2.08，損耗角正切tanδ=0.001。將上述參數(shù)代入公式(3)，可得到介質(zhì)透鏡高度隨半徑變化的關(guān)系函數(shù)。當(dāng)在介質(zhì)透鏡中心r=0時(shí)，介質(zhì)透鏡高度d=0.946H。將該函數(shù)可視化，則介質(zhì)透鏡的半輪廓曲線如圖3所示。

圖3 V頻段圓柱龍伯透鏡半輪廓曲線圖

圖4給出了采用波導(dǎo)饋源激勵(lì)的V頻段圓柱龍伯透鏡天線高頻結(jié)構(gòu)仿真器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)模型，介質(zhì)柱高度為0.946H，直徑為36λ，上下平行平板的厚度分別為0.2λ，直徑也為36λ。由于上述填充介質(zhì)高度公式只考慮了龍伯透鏡的介電常數(shù)等效，而忽略了填充介質(zhì)帶來(lái)的電波傳播到空氣與介質(zhì)界面的不匹配問(wèn)題，因此，必須對(duì)填充介質(zhì)高度公式進(jìn)行修正?；诓黄ヅ淇梢栽谕哥R內(nèi)部相互抵消的機(jī)理，增加兩個(gè)可變系數(shù)，調(diào)整介質(zhì)柱高度和輪廓曲線形狀，以方位面波束寬度到達(dá)理論設(shè)計(jì)值為目標(biāo)，優(yōu)化天線方向系數(shù)。

圖4 V頻段圓柱龍伯透鏡天線模型

圖5仿真計(jì)算結(jié)果表明，V頻段圓柱龍伯透鏡天線方位面波束寬度為1.56°，副瓣電平為-14.7 dB，天線增益為21.4 dBi。按投影孔徑面積36λ×0.5λ計(jì)算，天線方向性系數(shù)為23.5 dB，天線效率約為61.7%?？紤]天線饋源介質(zhì)損耗0.1 dB，饋源照射效率95%，透鏡介質(zhì)損耗0.8 dB，可得天線的孔徑效率為80%。本天線的孔徑效率與文獻(xiàn)[5]介紹的同類(lèi)天線的孔徑效率最優(yōu)值相當(dāng)，說(shuō)明本設(shè)計(jì)方法是有效的，也適合工程設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)仿真模型，加工出的V頻段圓柱龍伯透鏡天線實(shí)物如圖6所示。圖7實(shí)測(cè)結(jié)果表明，V頻段圓柱龍伯透鏡天線方位面波束寬度為1.60°，副瓣電平為-11.1 dB，天線增益為20.1 dBi，天線效率為45.7%。圖8表明在工作頻帶內(nèi)天線駐波比的仿真值為1.19～1.37，而實(shí)測(cè)值為1.38～1.62。

圖6 V頻段圓柱龍伯透鏡天線實(shí)物照片

圖7 V頻段圓柱龍伯透鏡天線實(shí)測(cè)方向圖

圖8 V頻段圓柱龍伯透鏡天線駐波比

與上述仿真結(jié)果相比，V頻段圓柱龍伯透鏡天線的實(shí)測(cè)結(jié)果明顯惡化,最明顯的現(xiàn)象是天線的近軸副瓣電平迅速抬升。這主要是由于聚四氟乙烯介質(zhì)材料的機(jī)加工性能較差，介質(zhì)透鏡的加工誤差超差嚴(yán)重，尤其是介質(zhì)透鏡的邊緣加工相對(duì)誤差較中心區(qū)域的更大，因此，邊緣加工誤差引起的孔徑幅相誤差較中心區(qū)域加工誤差引起的更大，從而引起天線近軸副瓣電平明顯惡化。

其次的現(xiàn)象是天線的平均副瓣電平大幅度提高，導(dǎo)致天線的口徑效率降低，天線方向性系數(shù)降低，最終導(dǎo)致天線效率也明顯降低。這主要是由于介質(zhì)透鏡的加工誤差以及上下平行平板和介質(zhì)透鏡的裝配誤差嚴(yán)重超差，導(dǎo)致口面相位經(jīng)介質(zhì)透鏡相位補(bǔ)償后不再均勻理想，最終引起天線散焦，天線效率降低。并且，天線的反射損耗和插入損耗沒(méi)有明顯惡化，可以排除這兩個(gè)因數(shù)不是影響天線效率惡化的主要因數(shù)，與天線實(shí)測(cè)方向圖現(xiàn)象吻合。

5 結(jié) 論

本文采用龍伯透鏡原理與介電常數(shù)等效原理推導(dǎo)出部分填充柱透鏡的理論設(shè)計(jì)方法，結(jié)合商業(yè)仿真軟件，能較快地完成任意介質(zhì)材料和孔徑尺寸的此類(lèi)天線設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法特別適用于工程應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的V頻段圓柱龍伯透鏡天線的孔徑效率為80%，并實(shí)現(xiàn)了20.1 dBi的天線增益，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于圓柱龍伯透鏡具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)特性，特別適用于寬角覆蓋的多波束天線應(yīng)用，并且波束間的增益變化小，所以其在毫米波頻段具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 肖雨琴,葉素珍.寬頻帶透鏡多波束天線[J].艦船電子對(duì)抗,1995(6):23-29. XIAO Yuqin,YE Shuzhen.Wide-band lens multi-beam antenna[J].Shipboard Electronic Countermeasure,1995(6)：23-29.(in Chinese)

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[5] 朱道虹. 毫米波多波束掃描介質(zhì)柱透鏡天線[D].杭州：浙江大學(xué),2012.

Design of a V-band Column Luneburg Lens Antenna

GUAN Zhengtao

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036,China)

A V-band column Luneburg lens antenna is designed and realized. According to the principles of the Luneburg lens focusing and equivalent permittivity of the mixture dielectric materials,a design formula of the column Luneburg lens in the parallel plate waveguide is deduced. On this base,the antenna design is finally completed through simulation analysis and optimization in high frequency structure simulator(HFSS).Simulation indicates that the gain of the V-band column Luneburg lens antenna is 21.4 dBi,the beam width 1.56°,and the side-lobe level -14.7 dB . According to the design result,the V-band column Luneburg lens antenna is realized and tested. The test result shows that the gain of the antenna is 20.1 dBi,the beam width 1.60°,and the side-lobe level -11.1 dB. With the aid of gain conversion,the efficiency of the antenna is 45.7% in the test,which means that the antenna has the engineering application value.

V-band satellite communication;column Luneburg lens antenna;parallel plate waveguide;aperture efficiency

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.06.019

官正濤.V頻段圓柱龍伯透鏡天線設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2017,57(6):730-733.[GUAN Zhengtao.Design of a V-band column Luneburg lens antenna[J].Telecommunication Engineering,2017,57(6):730-733.]

2016-11-30；

2017-04-21 Received date:2016-11-30；Revised date：2017-04-21

TN828.5

A

1001-893X(2017)06-0730-04

官正濤(1978—),男，四川資中人，2004年于西南交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槎嗖ㄊ炀€、波導(dǎo)裂縫陣天線、微帶陣天線、微帶反射陣天線。

Email：zhtguan@163.com

**通信作者：zhtguan@163.com Corresponding author：zhtguan@163.com