共形透镜天线的设计方法

张文波，路志勇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

由于飞行器速度越来越高，突出机体安装的天线会影响飞行器的空气动力性能。因此飞行器上天线采用共形天线是非常适宜的。但是对于某些电子系统中，如测控系统、卫星通信系统中，为提高系统的整体性能，对机载天线提出了很高的要求。主要要求有：

（1）完全与机体共形；

（2）具有较高的增益；

（3）具有跟踪功能。

上述后两项要求对于地面天线来说，很容易实现。因为反射面天线可以实现高增益，并可利用伺服系统可以实现跟踪性能。但是对于机载共形天线来实现高增益和跟踪性能，就会非常困难。可实现高性能共形天线的主要形式是共形相控阵天线，但复杂度和成本都非常高。在本文中，提出利用共形透镜天线来实现高增益性能，并且可与机体良好共形。

2 共形透镜天线设计原理

对于普通的透镜天线，其原理如下：透镜采用透波介质，制作成凸透镜形状，具有会聚波束功能；馈源位于透镜的焦点上，从接收角度来看，用于接收透镜会聚的波束。

对于共形透镜天线，其原理与普通的透镜天线相同。其不同点在于所采用的透镜为共形结构。

图1 普通透镜天线与共形透镜天线

在共形透镜天线的设计中，关键问题为共形透镜的设计。为了使共形面具有类似凸透镜会聚波束的功能，可采用的方法有：①共形面的不同部分采用不同介电常数的介质材料，如在共形透镜中央部分采用高介电常数材料，边缘部分采用低介电常数材料，使得透过的平面波到达馈源的光程相等，可是馈源具有较高的接收效率；②共形面采用透射型频率选择表面，频率选择表面的不同区域对于电磁波透射后的相移不同。比如在共形透镜中央部分采用相移量大的电磁孔径，在边缘部分采用相移量小的电磁孔径，从而可以实现平面波经共形透镜后达到馈源的相位一致，即也满足等光程条件，因此可使馈源具有较高的接收效率。

第一种方法需要制作各种介电常数的介质材料，并且把这些材料做成一体，因此难以实现。在这里，采用第二种方法来实现共形透镜天线。

第二种方法实现的基础是频率选择表面的设计，在这里，需要透射型的频率选择表面。频率选择表面是一种周期性结构，利用周期性的贴片形状可以实现对谐振频率入射波的全反射，利用周期性的孔径形状可以实现对谐振频率入射波的全透射。

透射型频率选择表面的单元可以采用不同的孔径形状来实现，如方形，圆形，圆环形，十字形等，如图2所示。图2中，白色部分为空气或介质区域，灰色部分为金属区域。

图2 透射型频率选择表面单元形状

透射型频率选择表面的频率特性与孔径单元尺寸密切相关。一定尺寸的孔径单元对应某一谐振频率，比如当十字形孔径的长度为某频率所对应波长的一半时，在这个频率上产生谐振。对于透射型频率选择表面，在谐振频率上，表面对入射波产生全透射；远离谐振频率时，表面对入射波呈现屏蔽。

在频率选择表面的设计中，一般只考虑表面反射或透射的幅度特性，不用考虑表面的相位特性。然而在共形透镜天线或共形面反射面天线的设计中，将要仔细考虑表面透射或反射的相位特性。因此，下面对用于共形透镜天线的频率选择表面进行一些分析。

图3 十字形孔径单元组成透射面示意图

上面提到，对于某一尺寸（长度为l）的十字形孔径，其长度为谐振频率（f0）的半波长。以f0为设计频率，则长度为l的十字形孔径为最合适的谐振尺寸。但是，这种十字形孔径具有一定带宽，因此对于相近的频率，都会呈现谐振。也就是说，对于设计频率f0，长度为l附近的十字形孔径都可以呈现谐振。不同长度的十字形孔径对于频率为f0的入射波，必然具有不同的透射相移特性。另外，对于不同的入射角，其透射相位特性也会略有不同。

在所设计的透射面上，在不同位置分别布有不同孔径的十字形单元。这些单元对于入射的平面波产生不同的相移量。馈源距离相移量大的孔径单元较近，距离相移量小的单元较远，设计的目的就是用不同尺寸孔径单元所引入的不同相移量，来补偿透镜共形面的不同部分与馈源的距离差值。这样，入射的平面波经透射面达到馈源的路程相等，因此透射面起到会聚波束的作用，天线具有较高的增益。

透射面不同部分孔径单元的相移量可根据相位补偿原理来确定，如图4所示。在图4中，射线从馈源中发出，与图4和图1中的射线方向相反。其实，根据天线的互易定理，天线作为发射或接收，具有相同的性能。示意图中画成发射或接收，都是为了便于理解。

图4 共形透镜相位补偿原理

因此，共形透镜上不同位置的相移量可以确定，从而根据透射相移量与孔径的关系确定不同位置所需要孔径的尺寸，从而完成共形透镜的设计。

对于共形透镜天线馈源的设计，与普通透镜天线或反射面天线一样，先根据透镜尺寸和馈源位置确定馈源照射角要求，再设计满足照射角要求的馈源。馈源可采用各种形式的喇叭天线或背腔振子天线。

3 共形透镜天线的共形设计

由于共形透镜天线具有较大的天线口径，可以实现较高的增益。因此机载情况下应用共形透镜天线的关键问题就是共形设计。

由于共形透镜天线的透镜为共形面，因此其易于实现与机体共形。在设计时，用共形透镜代替机身上一部分蒙皮，如图5所示。图5中，实线和虚线共同组成飞机的截面，其中实线部分用作共形透镜的透射面，代替原有飞机蒙皮。馈源放置于机体内部。如果安装天线的蒙皮部分为某种曲面形状，则透镜变为曲面形状。在设计时，考虑到曲面形状，根据等光程条件，设计曲面上不同部分透射单元的形状。

图5 飞机部分蒙皮用于共形透镜示意图

在共形设计中，由于飞机蒙皮的一部分用透射面代替，必然在蒙皮上留有一些孔径。这些孔径利用强度好的透波材料进行填充，使得这部分材料具有与原机体材料相当的机械性能。

4 共形透镜天线的扩展功能设计

共形透镜天线除可进行严格的共形设计和具有良好的高增益性能外，还可通过引入一些辅助手段，获得许多其它功能。因此经过功能扩展设计，这种天线可获得许多良好的电气性能。

4.1 双频设计

对于双频设计要求，除馈源采用双频段共用馈源外，天线透射面也要进行双频段设计。

图6 双频透射单元示意图

双频使用的透射面单元如图6所示。透射面单元由两种尺寸的十字形孔径组成，小尺寸十字形孔径为高频段单元，大尺寸十字形孔径为低频段单元，两种单元分别透射高频段电波和低频段电波。

4.2 多波束设计

对于透镜共形面，利用相位校正技术，通过放置多个馈源可以实现多波束设计。也就是说，将几个馈源同时放置在同一个透镜共形面前，天线的波束可以向几个不同的方向辐射。根据需要，这几个波束可以是同时工作的波束，也可以是互相切换的波束。

4.3 波束赋形设计

利用多馈源和共形透镜组合赋形技术可进行波束赋形设计。其基本原理是采用几个小馈源阵和精心设计的共形透镜组合赋形，在基本服务区形成几个所要求的固定区域赋形波束，通过各区域波束的不同组合及优化激励系数来获得形状可变的赋形波束。

4.4 波束扫描设计

共形透镜天线透射面的孔径阵元相当于引入固定的相移。在每一个阵元之后再接入可变移相器，就可形成透射型空间馈电相控阵天线，因此具有波束扫描功能。

另外，在不引入可变移相器情况下，只改变馈源的照射方向，也可改变天线的波束方向。因此，共形透镜天线可具有跟踪功能。

上述两种方法，一种是电扫描，一种是机械扫描，都使得共形透镜天线具有跟踪功能。由于两种方法都不需要移动透射面，因此可以把一部分飞行器机体蒙皮用作透射面，这样便于实现天线的共形安装。

5 共形透镜天线的用途

由于共形透镜天线的透镜共形面与机体严格共形，馈源位于机体内，因此这种天线可用于高速飞行器的共形天线。这种天线具有较高的增益，并且易于实现跟踪功能，因此可用作飞行器上高性能的通信天线或测控天线。

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