8毫米波均匀介质球透镜多波束天线的研究

向 博 孟洪福 窦文斌 何敏敏 陈 森

（东南大学毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096）

引 言

在通信卫星中采用多波束天线技术，单一口径就能实现天地之间的多点通信，以较高的增益覆盖较大的地面区域，并且能够根据需要调整波束形状，从而大大地提高了卫星通信的容量和效率。多波束天线在星间链路通信、数据链通信、移动通信等领域同样有着重要的应用价值。

反射面多波束天线是在普通反射面天线的基础上发展起来的，多波束反射面的类型主要有抛物环面、抛物面和球面反射面［1］。相控阵多波束天线主要通过馈源系统的相位控制使天线提供多波束［2-3］，但需要大量昂贵的移相器以及较为复杂的设计与调试。透镜天线是多波束天线的又一种常见实现形式，相比于前两种多波束天线，透镜天线具有很好的旋转对称性，保留了良好的光学特性，且没有对馈源的阻挡等优点。缺点就是透镜质量大，但当天线的工作频率提升到毫米波频段时，透镜天线的尺寸将大大减少，质量大的问题将不复存在。透镜天线作为多波束天线的一种，主要应用于毫米波、亚毫米波等高频领域。因而研制毫米波频段的透镜多波束天线，具有重要的现实意义。

龙伯透镜要求介质体内折射率随半径的不同而连续变化，这样加工上的难度［4］以及成本的高昂为龙伯透镜的广泛应用带来了困难，牺牲部分性能换取加工制作上的容易，这是工程中常见的做法。只要设计得当，采用均匀介质球透镜替代龙伯透镜同样能实现良好的汇聚作用［5-6］，而加工制作的难度却大大降低。文献［7］设计了在Ku波段基于均匀聚四氟乙烯椭球透镜的360°扫描天线，副辨电平低于-17dB，3dB波束宽度为16°，但是只是实现了水平方向的扫描；文献［8］研制了一个Ka波段用8×2的渐变线天线（TSA）单元阵列馈电的天线，在水平和垂直面分别达到128°和30°的覆盖，馈源采用平面结构的TSA.文中设计的毫米波多波束天线选用聚四氟乙烯作为透镜材料，圆波导为馈源［9-11］。充分利用球透镜和圆波导的对称性，减少计算量的同时实现了波束的一致性，而且这种结构更容易扩展很多波束实现大范围的水平和垂直扫描。

1.多波束天线系统设计

1.1 均匀介质球透镜天线

图1即为均匀介质球透镜示意图，介质球中心位于O点，半径为R，介电常数为εr，一点源位于-R-d处，光线经过透镜时折射而发生汇聚效果。透镜的汇聚效果与介电常数εr及d和R的比值有关。在馈源一定的情况下，馈源相位中心距离透镜边缘的距离d将会影响溢出效率。由于光程差不同，d必然影响口径面上的相位分布，存在一个使透镜效率最高的点和一个透镜主瓣宽度最小的点。介质球透镜的半径R影响天线方向图主瓣和增益，R越大天线方向图主瓣越窄，增益越高。透镜材料主要影响介质折射率。

单馈源情况下，设计的重点是优化d和R的值。多馈源情况下，各馈源之间的耦合也是设计时必须考虑的问题。文中天线采用圆波导为馈电单元。仿真分析采用商业软件CST.

图1 均匀介质球透镜

1.2 单馈源性能分析

单馈源时球透镜天线示意图如图2所示。R为均匀介质球透镜的半径；d为球透镜与圆波导端口之间的距离；r为圆波导半径，取2.781mm；球透镜相对介电常数εr=2.1.

图2 单馈源球透镜天线示意图

由于天线设计要求高增益，所以介质球透镜的半径不能低于50mm.由于电尺寸较大，利用CST软件仿真计算时，充分利用了结构的旋转对称性，选择对称面以减少计算时间，降低内存。单馈源工作频率为37.5GHz时仿真辐射方向如图3（a）所示，馈电圆波导S参数如图3（b）所示。

由仿真结果图3可知:E面副瓣电平为-17.2dB，H面副瓣电平为-17.9dB，半功率波瓣宽度为5.1°，天线增益达到28.5dB，S11在工作频率为35～40GHz范围内低于-13dB.

通过扫描参数分析可知:介质球透镜天线的副瓣电平和半功率波瓣宽度均随着d／R值的变化而发生显著的变化。当d不变R增大时，天线的增益明显增大；当R不变d在一定范围内增大时，天线增益减小，但是副瓣电平降低，且主瓣变光滑，半功率波瓣宽度增大。文中设计的球透镜天线最后选择R为55mm和d为20mm时，天线具有很好的辐射性能。

1.3 8波束辐射性能

由单馈源仿真分析可知:均匀介质球透镜材料和半径已确定。设相邻波导轴线之间的夹角为α，当d确定后，考虑到实际加工圆波导有壁厚，如图4所示，故有关系式α≥2×β.

在仿真软件CST中建立仿真模型如图5所示。多波束时仿真的重点就是优化d和α，使天线辐射性能最佳，相邻波束波瓣交叉电平在-3dB处。

仿真结果如图6（a）所示:H面副瓣电平为-17.7dB，半功率波瓣宽度为5.1°，此时的天线增益达到28dB，相邻波束交叉点在-3dB，波束扫描范围为-21°到+21°.圆波导端口的S参数如图6（b）所示，基于结构的对称性，文中只给出馈源1的S11和馈源1与其它馈源之间的互耦特性。在35～40GHz范围内，S11低于-12dB，互耦低于-23 dB.由于馈源波导对称排列，馈源2和馈源5关于馈源1对称，由图6（b）（见421页）可知S21和S51相似，其它同理可以得出。

通过扫描参数分析可知:当α保持不变，d在一定范围增大时，天线增益减小，但副瓣和后瓣电平降低，且主瓣变光滑，半功率波瓣宽度增大。考虑到天线系统的设计要求和研制的难度，通过对结构参数d的扫描，可以得到当d=20mm和α=3°时透镜天线有最佳的辐射性能:H面副瓣电平为-17.7dB，半功率波瓣宽度为5.1°，此时的天线增益达到28 dB，后瓣抑制在约-25dB，馈源互耦低于-23dB，相邻波束之间的交叉电平在-3dB.

当d保持不变，馈源波导轴线间的夹角α增大时，相邻波束交叉点电平降低，馈源之间的互耦也同时降低，半功率波瓣宽度略有变窄，副辨电平也略有变化。当夹角α为4°时相邻波束交叉点电平为-7 dB，相邻馈源互耦低于-29.8dB，半功率波瓣宽度为4.9°，副瓣电平为-17dB.

图6 d／R＝0.364，α＝3°8波束球透镜天线

1.4 馈电网络设计

全向开关多波束馈电网络原理如图7所示。图中S1、S2、…、S7为单刀双掷开关，C为铁氧体环行器。该馈电网络的特点是:S1至S7均为全向开关，8个馈电单元共用一个环行器。以馈电单元1处于工作状态为例，则在开关S1、S2和S4中，都是a端口和b端口相互导通，能实现信号的上行和下行传输，而端口c则处于隔离状态，其它馈电单元的工作原理相同。控制开关的工作状态就可以实现多波束扫描。

图7 开关馈电网络原理图

开关的设计主要包括波导微带过渡和微带单刀双掷单片微波集成电路（MMIC）关，波导微带过渡采用了一种新型结构［12-13］，建立模型如图8（a）所示。仿真结果如图8（b），S11在30～37GHz小于-20dB.

2.实物研制和测试结果

整个天馈系统包括了均匀介质球透镜、馈源波导、毫米波开关、数字控制器、连接弯波导和系统的固定结构。毫米波电子开关实物照片如图9（a）所示，均匀介质球透镜天线与圆波导馈源实物如图9（b）所示，数字控制器如图9（c）所示。本文研制了16波束天馈系统，16个波导馈源，排成上下2排，每排8个，成对称结构。测试中将上面一排馈源波导从右至左标识为1～8号，下面一排从右至左标识为9～16号。

通过数字控制器对毫米波开关供电进行控制，从而实现了16波束的扫描。

当均匀介质球透镜天线工作在37GHz时，在微波暗室测试得辐射方向如图10（见421页）所示。该多波束天线实测了37GHz、37.5GHz和38GHz工作频点，结果表明16个波束增益约为26～28 dB，所测的3个频点的波束副瓣都低于-15dB，相邻波束交叉点在约-5dB处。

由图10测试数据可知:各个波束所对应的最大辐射方向图与仿真结果略有偏差，增益也略有减小，各波束增益之间最大相差2dB，这主要是由于介质球透镜存在一定的损耗，各路开关的损耗总和不一致，另外，机械加工装配精度造成圆波导馈源还存在偏焦。通过对比图6（a）和图10辐射方向图可知仿真结果和测量结果吻合较好。

3.结 论

论文采用均匀介质球作为天线透镜进行多波束天线设计，首先分析单馈源情况，通过软件优化参数，得到符合设计要求的最佳透镜尺寸；在单馈源的基础上，进行多馈源设计，仿真分析得到多波束天线增益为28dB，副瓣低于-17dB，相邻波束交叉点在-3dB处；最后对馈电网络进行设计。实物测试结果表明:该多波束天线系统增益约为26～28dB，副瓣电平都低于-15dB，相邻波束交叉电平约在-5dB处。实测与仿真较好吻合，各项指标符合设计要求。该均匀球透镜多波束天线可布置多层馈源，很容易实现扩展，从而设计出更多波束的扫描天馈系统。

［1］张兆成，郭陈江，丁 君.偏焦偏置抛物面多波束天线的分析与设计［J］.航空计算技术，2010，40（3）:75-77.ZHANG Zhaocheng，GUO Chenjiang，DING Jun.Multiple-beam offset parabolic reflector antenna［J］.Aeronautical Computing Technique，2010，40（3）:75-77.（in Chinese）

［2］胡红芬，白晓红.多波束天线的应用及发展［J］.现代雷达，2002，24（4）:69-75.HU Hongfen，BAI Xiaohong.Application and development of multi-beam antenna［J］.Modern Radar，2002，24（4）:69-75.（in Chinese）

［3］梁 广，龚文斌，刘会杰，等.可重构星载多波束相控阵天线设计与实现［J］.电波科学学报，2010，25（1）:184-189.LIANG Guang，GONG Wenbin，LIU Huiji，et al.Design of reconfigurable multi-beam phased array antenna on satellite［J］.Chinese Journal of Radio Scienen，2010，25（1）:184-189.（in Chinese）

［4］INGERSION P G.Luneberg lenses performance limitations due to fabrication process［C］／／Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，1997，2:862-865.

［5］BORISKIN A V，SAULEAU R.Design of dielectric lens antennas for multibeam applications［C］／／International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves，Millimeter and Submillimeter Waves（MSMW），2010:1-3.

［6］MARUYAMA T，YAMAMORI K，KUWAHARA Y.Design of multibeam dielectric lens antennas by multiobjective optimization［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（1）:57-63.

［7］ZHANG J，WU W，FANG D G.360°scanning multibeam antenna based on homogeneous ellipsoidal lens fed by circular array［J］.Electronics Letters，2011，47（5）:298-300.

［8］张金栋，齐世山，赵怀成，等.基于均匀介质球透镜的二维扫描天线［J］.微波学报，2011，27（1）:15-18.ZHANG Jindong，QI Shishan，ZHAO Huaicheng，et al.2D-scan antenna based on homogeneous spherical lens［J］.Journal of Microwaves，2011，27（1）:15-18.（in Chinese）

［9］LI Y H，DOU W B.BOR-FDTD analysis of spherical lens multi-beam antenna［J］.Piers Online，2007，3（7）:1111-1113.

［10］CHEN SEN，DOU WENBIN.Analysis and design of multi-Beam antenna with dielectric spherical lens at millimeter-wave band［C］／／Microwave Conference，China-Japan Joint，2008:129-132.

［11］XIANG Bo，HE Minmin，MENG Hongfu，et al.Multi-beam antenna at Q band［C］／／The 34th International Conference on Infrared，Millimeter，and Terahertz Waves，2009.

［12］何敏敏，陈 森，窦文斌.一种新型的毫米波微带／波导转换过渡［C］／／第七届全国毫米波亚毫米波学术会议论文集.北京:电子工业出版社，2008:100-102.

［13］LEONG Y C，WEINREB S.Full band waveguide-tomicrosrtip probe transitions［C］／／IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，1999，4:1435-1438.