基于龙伯透镜的低剖面阵列天线

桂万如，季文涛

（合肥若森智能科技有限公司，合肥 230088）

0 引言

传统的平面相控阵天线扫描角度通常不超过±45°，否则会导致天线的等效口径减小、阵列辐射方向图增益降低、副瓣升高，有限的扫描角度限制了其应用[1]。

R. K. Luneburg提出了一种球梯度折射率的透镜结构并分析了其特性[2]，这种透镜可以将某个方向入射的平面波聚焦于透镜表面一点，使安装在透镜表面的馈源能够实现高定向性辐射，具备这种特征的透镜被称作“龙伯透镜（Luneburg Lens）”。利用这一原理，将阵列天线单元置于龙伯透镜表面，可用于接收或发射来自各个方向的平面波束，且可以保证各波束具有相同的形状和增益，因此可用于实现大角度波束扫描。

龙伯透镜的球形结构导致其难以适用于对天线剖面高度和体积、重量有严格限制的场合，近年来也有专家学者提出利用多个具有较小直径龙伯透镜组成阵列的设想[3]，使得天线剖面高度和体积、重量均小于用单个龙伯透镜实现的同等口径面积天线，但并未指出应以何种方式对龙伯透镜阵列馈电以实现大角度波束扫描。

如何利用基于龙伯透镜阵列实现具有大角度扫描和通信功能的阵列天线成为工程应用领域一个亟待解决的问题。

1 基于龙伯透镜的低剖面阵列天线

为了克服传统相控阵天线波束扫描范围有限的缺点，以及基于单个龙伯透镜的阵列天线剖面高度过高、体积重量过大的缺点，我们利用多个较小直径的龙伯透镜组成阵列，代替与其口径面积相同的单个较大直径龙伯透镜，在保持基于龙伯透镜的阵列天线大角度扫描能力基础上，大幅降低其剖面高度和体积重量。

天线由多个相同直径的龙伯透镜单元组成二维透镜阵列，在每个龙伯透镜单元表面放置天线阵列，这些龙伯透镜单元在同一水平面上呈二维排布，在互相垂直的方向上分别排布M和N个透镜单元（M和N均大于等于1）。每个龙伯透镜单元下表面处排布由微带天线组成的二维弧面阵，天线单元采用双端口馈电方式，两端口的馈电相位差为90度。天线的整体示意图如图1所示。

对置于每个龙伯透镜单元表面的具有相同编号的一组天线单元均同时馈电，并对位于不同龙伯透镜表面处具有相同编号的天线单元施加由透镜单元相对位置决定的馈电相位差，可以使整个天线的辐射方向图具有一定的波束指向。由此分别对置于每个龙伯透镜单元表面处的具有相同编号的不同组天线单元顺序馈电，即可使天线的辐射方向图实现在一定范围内的二维大角度波束扫描。

图1 基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线由3×3单元的二维龙伯透镜阵列

龙伯透镜及其馈电的天线阵列结构见图2。采用直径为140mm的龙伯透镜，相邻龙伯透镜单元球心间距为158mm。每个龙伯透镜单元表面的微带天线阵列由25个微带天线单元沿圆弧面排布而成，相邻微带天线单元中心与龙伯透镜球心的夹角均为22°。微带天线单元在单层介质覆导体印刷电路板上制作，由两层金属表面层之间夹一层介质基板构成，上下表面均为铜箔，厚度为0.018mm。下表面金属铜层构成天线的地，尺寸为28mm×28mm。矩形介质基板的介电常数为10.2，厚度为8mm，尺寸为28mm×28mm。上表面金属铜层为采用印刷电路工艺制作的矩形金属贴片，尺寸为16.8mm×16.8mm。馈电端口分别位于上表面金属铜层的中心偏一侧位置，距中心均为4.8mm，两端口与中心的连线互相垂直，采用同轴馈电方式，同轴内芯接上层金属贴片，外壁接下层金属地板，接口阻抗50Ω。

图2 龙伯透镜及其馈电的天线阵列结构

2 仿真结果

我们在2.15-2.35GHz频带内，以中心频点2.25GHz对此阵列天线进行了仿真分析，结果显示天线的扫描角度可以达到设计预期。

图3是每个龙伯透镜单元表面的微带天线阵列回波损耗图。由图可见，在2.15-2.35GHz频率范围内，天线阵列的回波损耗小于-10dB，体现出谐振特性。

图3 单个龙伯透镜单元表面微带天线阵列回波损耗图

图4 单个龙伯透镜单元的天线阵列馈电波束扫描方向图

图4是对其中一个龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的E面和H面波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束指向0°时，其增益为9.9dB；当波束指向-71°时，其增益为9.8dB；当波束指向71°时，其增益为9.8dB；波束扫描范围为±71°。图5是对所有龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的E面和H面波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束指向0°时，其增益为19.2dB；当波束指向-71°时，其增益为16.8dB；当波束指向71°时，其增益为17.0dB；波束扫描范围为±71°。

3 结束语

本文首次提出了利用阵列天线对由多个龙伯透镜单元组成的透镜阵列馈电，以实现大角度波束扫描。从仿真结果可见，基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线与传统相控阵天线相比，波束扫描范围能够从±45°扩展到±71°，与具有相同口径面积的基于单个龙伯透镜的阵列天线相比，剖面高度和体积重量均大大降低。同时，对每个龙伯透镜单元表面的天线阵列单元顺序馈电降低了天线馈电网络的复杂度和设计难度，可方便调节辐射增益以适应不同反射面尺寸及焦距的需求。

多个透镜单元可以相同大小，也可以不同大小，组成的透镜阵列可以直线排列、矩形排列或者其他赋形排列方式。为实现高增益和大角度扫描，多个龙伯透镜单元之间的距离应使最大覆盖角度方向处的电磁波不被遮挡，或者遮挡尽可能少。