桂萬如，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±45°，否則會導(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方向入射的平面波聚焦于透鏡表面一點，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)射來自各個方向的平面波束，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)致其難以適用于對天線剖面高度和體積、重量有嚴(yán)格限制的場合，近年來也有專家學(xué)者提出利用多個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、重量均小于用單個龍伯透鏡實現(xiàn)的同等口徑面積天線，但并未指出應(yīng)以何種方式對龍伯透鏡陣列饋電以實現(xiàn)大角度波束掃描。

如何利用基于龍伯透鏡陣列實現(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)域一個亟待解決的問題。

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，以及基于單個龍伯透鏡的陣列天線剖面高度過高、體積重量過大的缺點，我們利用多個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。

天線由多個相同直徑的龍伯透鏡單元組成二維透鏡陣列，在每個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個透鏡單元（M和N均大于等于1）。每個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。

對置于每個龍伯透鏡單元表面的具有相同編號的一組天線單元均同時饋電，并對位于不同龍伯透鏡表面處具有相同編號的天線單元施加由透鏡單元相對位置決定的饋電相位差，可以使整個天線的輻射方向圖具有一定的波束指向。由此分別對置于每個龍伯透鏡單元表面處的具有相同編號的不同組天線單元順序饋電，即可使天線的輻射方向圖實現(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。每個龍伯透鏡單元表面的微帶天線陣列由25個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

我們在2.15-2.35GHz頻帶內(nèi)，以中心頻點2.25GHz對此陣列天線進(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)計預(yù)期。

圖3是每個龍伯透鏡單元表面的微帶天線陣列回波損耗圖。由圖可見，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 單個龍伯透鏡單元表面微帶天線陣列回波損耗圖

圖4 單個龍伯透鏡單元的天線陣列饋電波束掃描方向圖

圖4是對其中一個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，當(dāng)波束指向0°時，其增益為9.9dB；當(dāng)波束指向-71°時，其增益為9.8dB；當(dāng)波束指向71°時，其增益為9.8dB；波束掃描范圍為±71°。圖5是對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，當(dāng)波束指向0°時，其增益為19.2dB；當(dāng)波束指向-71°時，其增益為16.8dB；當(dāng)波束指向71°時，其增益為17.0dB；波束掃描范圍為±71°。

3 結(jié)束語

本文首次提出了利用陣列天線對由多個龍伯透鏡單元組成的透鏡陣列饋電，以實現(xiàn)大角度波束掃描。從仿真結(jié)果可見，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，對每個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。為實現(xiàn)高增益和大角度掃描，多個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。