基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:基金项目:陕西省重点研发计划(编号:)引用格式:周子源曹元熙闫森.基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计.空间电子技术():.():.:./.基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计周子源曹元熙闫 森(西安交通大学西安)摘 要:文章提出了一种具有无源波束扫描能力的平面圆极化多波束天线 该天线由基于基片集成波导()的漏波天线阵列和罗特曼透镜馈源网络组成 其中漏波天线作为天线辐射体通过在 传输线上加载 顺序旋转的非谐振辐射缝隙实现了圆极化的辐射特性 为了实现低成本的波束扫描能力使用罗特曼透镜作为天线的馈电网络 该天线设计采用双层结构通用将漏波天线阵列置于罗特曼透镜上层实现了天线的小型化 经仿真验证该天线可在.的工作频带范围内实现良好的阻抗匹配及 的圆极化波束扫描能力并且每个波束均可在 波束宽度内实现小于 的轴比关键词:漏波天线多波束天线圆极化天线罗特曼透镜中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.()()()./.:引言 在现代卫星定位及通信系统中相控阵天线灵活的波束赋形能力使其成为了星载通信及定位天线的主要形式 然而每个天线单元后端连接的收发组件极大地提升了相控阵天线的成本 使其价格高昂难以在商用及民用终端中使用 为空间电子技术 年第 期了实现低成本的波束扫描能力国内外学者先后提出并深入研究了多种基于无源波束形成网络的阵列天线 其中基于平面结构的反射面、龙勃透镜、罗特曼透镜以及巴特勒矩阵等波束形成网络由于其低剖面、易共形等特点已被设计并实 现 了 低 副 瓣、二 维 波 束 扫 描、双 极化 及单脉冲等辐射特性 在这些平面馈电网络的设计中罗特曼透镜的优势在于其波束扫描范围的设计自由度 通过合理的选择罗特曼透镜的聚焦比和偏心聚焦角该透镜可以实现对波束扫描角度及交叠电平的灵活调控 然而现阶段基于罗特曼透镜的高增益侧射天线多为透镜与线极化波导缝隙天线的组合可实现较高的辐射效率及波束扫描能力 但面对卫星通信及导航等应用时圆极化的波束可以带来更好的抗电离层电磁干扰和抗极化偏转能力并不易受雨雾等天气因素的影响而发生误码现象为了设计一种具有宽角度波束覆盖范围的圆极化多波束天线文章提出了一种基于顺序旋转辐射缝隙的圆极化漏波天线设计方法 该漏波天线单元具有较宽的波束宽度在大角度的波束扫描时保证阵列不会产生过大的增益变化 同时漏波天线在波束宽度内具有良好的轴比使得天线具有不同指向的各个波束均具有良好的圆极化性能 为了进一步实现天线小型化采用了双层结构将漏波天线阵列置于罗特曼透镜上层如图 所示经仿真验证该天线在.频段阻抗匹配良好具有 的圆极化波束覆盖范围该天线在 波段的圆极化、宽扫描范围的特性使其非常适用于小型化、低成本的便携雷达等设备中图 天线模型示意图.天线设计 如图 所示天线示意图其中 条圆极化漏波阵列作为辐射结构位于上层下层为罗特曼透镜波束形成网络该透镜通过耦合缝隙实现与漏波天线阵列的层间能量传递 通过切换透镜不同的馈电端口可实现无源的波束扫描 该天线的介质板为介电常数.损耗正切.厚度.的 板材.圆极化漏波天线设计圆极化漏波天线的单元结构及缝隙天线单元的仿真模型如图 所示 该漏波天线的圆极化辐射特性是通过在 传输线上周期性加载 顺序旋转的非谐振缝隙实现的 其中相邻缝隙在传输线方向上的距离约为/用于实现相邻辐射缝隙间的相位差 因此缝隙的辐射场极化方向在电磁波随着波导的传播方向上依此呈现的变化从而产生方向正交且带有相差的辐射场形成圆极化辐射 不同时刻缝隙的电场分布如图 所示图 圆极化漏波天线示意图.图 漏波天线辐射缝隙在不同时刻的场分布.年第 期周子源等:基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计为了保证天线的行波工作模式该漏波天线的末端转为特性阻抗为 的微带线并加载匹配电阻 经过优化仿真最终选定的天线尺寸如表 所列 天线在 的增益方向图以及轴比如图 所示 从图 中可以观察到该漏波天线单元可以在 内实现小于 的轴比该天线最大增益为.波束宽度为 这些结果证实了该天线可以实现良好的波束扫描性能图 漏波天线单元的轴比及方向图.表 漏波天线尺寸.参数尺寸.罗特曼透镜多波束形成网络设计为了使天线具有低成本无源波束扫描的能力使用罗特曼透镜作为天线的波束形成网络 罗特曼透镜的轮廓模型如图 所示图 圆极化缝隙天线示意图.其中 为正焦点和 为偏焦点透镜腔体部分中的介电常数为 而透镜中的延时线则是通过不同长度的 传输线实现的这里需要注意的是 传输线的等效介电常数会根据工作频率变化产生轻微的色散效应从而偏离 故写为 该等效介电常数 的表达式为:()式()中 为天线工作频段对应的波长为 延时线的宽度该延时线的色散特性使罗特曼透镜设计中各轮廓的表达式均产生了变化在此基础上罗特曼透镜设计中的路径约束方程为:()透镜的几何约束方程为:()()()()()为了简化设计公式将式中相关变量对透镜焦距进行归一化后可得:/()()根据上述路径约束和几何约束条件可计算出透镜内轮廓线及延时线得到以下设计方程:()()其中:空间电子技术 年第 期 ()()()()()()()透镜最终设计中使用聚焦比 为.偏心聚焦角 与扫描角 均为 仿真中建立的罗特曼透镜模型如图 所示透镜的焦曲线上放置了 个输入端口 个宽度相同的输出端口放置于透镜的外轮廓上透镜中的延时线是通过透镜输出端口在 方向上的不同长度实现的 该罗特曼透镜的仿真模型如图 所示透镜的侧面设置了多组负载端口用于对偏焦端口激励时未输出到辐射层的场进行吸收避免透镜内的电磁波多次反射后进入输入及输出端口造成天线的驻波、隔离度及方向图的恶化图 罗特曼透镜结构示意图.在漏波天线及罗特曼透镜的集成设计中为了进一步实现天线的小型化采用了双层结构将罗特曼透镜置于天线底层漏波天线阵列置于天线上层并通过耦合缝隙实现了层间的能量传递 该耦合缝隙的结构及 参数如图 所示图 耦合缝隙的结构示意图及其 参数.耦合缝隙长为.距短路终端距离为.缝隙宽.仿真结果证实了该耦合缝隙可以在.内实现大于 的回波损耗以及小于.的插入损耗可实现良好的层间能量传递效果 需要注意的是由于耦合缝隙上下两侧的 传输线的宽度小于工作频率对应的介质波长因此当不同输入端口激励的柱面波被透镜内轮廓接收后在 传输线内都仅能以 模式传播使得耦合缝隙的工作带宽不受输入端口切换影响 该罗特曼透镜波束形成网络在不同输入端口激励时透镜输出的幅相分布如图 所示从图 中可以看出该透镜可以实现线性的相位梯度输出 此外由于输入端口的口径大小及偏角角度等因素的影响偏馈端口激励的幅度相较于中心端口线性度较差呈现出从最大值向两侧逐渐衰减的变化趋势但该类幅度分布并不会使方向图恶化其类似锥削形状的幅度分布可以实现波束扫描时的旁瓣抑制图 不同输入端口激励时透镜输出的幅相分布.天线仿真结果为了证实天线的性能使用 及 两款全波仿真软件对模型进行了验证两款软件的仿真结果具有良好的一致性其中天线不同端口的 参数结果图 所示由于天线结构的对称性文中只展示了部分 参数其余 参数与展示的完全相同其中该天线的各个端口可以在.内实现良好的阻抗匹配 天线不同端口间的隔离度如图()所示相邻端口间隔离度大于 年第 期周子源等:基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计 镜像端口间隔离度大于.证明了端口间良好的隔离性能 天线在不同频率下的多波束方向图以及轴比如图 至图 所示该天线在工作频带范围内可以实现 的增益以及 的波束覆盖在每个波束的 波束宽度内基本能够满足小于 的轴比要求具体值总结在表 中仿真结果证明该天线具有良好的圆极化及波束扫描性能图 天线的 参数仿真结果.图 天线在.方向图和轴比的仿真结果.图 天线在.方向图和轴比的仿真结果.空间电子技术 年第 期图 天线在.方向图和轴比的仿真结果.表 天线各波束在 波束宽度内的轴比最大值.端口轴比/频率.频率.频率.结论文章提出了一种基于圆极化缝隙漏波天线的罗特曼透镜多波束天线设计 该漏波天线通过在 表面加载顺序旋转缝隙的方式实现了圆极化的辐射特性将该漏波天线与罗特曼透镜相结合最终实现了一种高增益圆极化多波束天线该天线可在.内实现良好的阻抗匹配及圆极化辐射特性可以实现 的圆极化波束覆盖范围 该天线低成本低剖面的特点以及圆极化及无源的波束扫描特性使其非常适合应用于小型化、低成本的便携雷达等设备中参考文献:蒋文丰安建叶琪玮.中继卫星终端相控阵天线自跟踪算法设计与性能分析.电讯技术():.单长胜尹曙明王烁等.一种卫星相控阵天线在轨校正方法.无线电工程():.吴春邦刘虎李岩.一种低成本星载宽角扫描相控阵天线设计.微波学报():.崔灿姚常飞顾希雅.波段集成化收发组件设计.微波学报():.曹元熙李建星闫森.基于电调超表面及柱面反射面的相控阵天线设计.无线电工程():.何雯王显煜王平等.星载可移动多馈源单口径多波束天线研究.空间电子技术():.马赛刘震国陆卫兵等.基于 的多波束 阵列天线设计.微波学报():.():.():.():.():.年第 期周子源等:基于圆极化漏波阵的罗特曼透镜多波束天线设计 .():.():.():.():.():.():.作者简介:周子源()陕西西安人硕士研究生 主要研究方向为天线技术:.通讯作者:闫森()陕西咸阳人博士西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师 主要研究方向为天线技术:.