基于龙勃透镜的低副瓣高交叉极化阵列天线

桂万如，杨如意

（合肥若森智能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线，其所用的辐射源可以根据天线馈电电流、间距、电长度等不同参数，按照直线或者其他复杂形式来构成阵列以获取和调节最优的辐射方向特性，由此在现代移动通信、卫星通信、广播电视等领域得到了广泛应用[1]。随着技术的进步和需求的推动，人们对阵列天线的研究也日益成为一个重要的方向。

按照天线单元的排列可将阵列分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一个直线上的直线阵，线阵的各单元也可以不等距排列，或者各单元中心不排列在一条直线上，例如，排列在圆周上。多个直线阵在某一个平面上按一定间隔排列就构成了平面阵，若各单元的中心排列在球面上就构成了球面阵。天线阵按辐射图形的指向可分为侧射天线阵、端射天线阵和既非侧射又非端射的天线阵。侧射天线阵是最大辐射方向指向阵轴或阵面垂直方向的天线阵；端射天线阵是最大辐射方向指向阵轴方向的天线阵；最大辐射方向指向其他方向的天线阵为既非侧射又非端射的天线阵。

阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的矢量和。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有单个天线无法实现的可调辐射参数等优势。

当前阵列天线在卫星通信应用过程中，具有两个方面的主要问题：一个是副瓣电平高，在卫星通信中，高副瓣电平会导致对临近卫星的干扰。另一个是交叉极化比低，导致天线使用时的收发天线隔离度降低，影响天线性能。

2 基于龙勃透镜的低副瓣高交叉极化阵列天线

我们利用龙勃透镜具有的“将来自某个方向入射的平面波聚焦于透镜表面上的一点，使安装在透镜表面的馈源能够实现高定向性辐射”特征[2]，将阵列天线单元置于龙勃透镜表面，用于接收或发射来自各个方向的平面波束[3]，可以保证各波束具有相同的形状和增益，实现了大角度波束扫描，并解决了现有的阵列天线副瓣电平高、交叉极化比低的问题。

基于龙勃透镜的低副瓣高交叉极化比阵列天线采用1×N天线阵综合方法，天线阵由微带馈源和龙勃透镜单元组成，微带馈源的间距与龙勃透镜单元的尺寸相关，通过对微带馈源的功分网络进行幅度加窗和180°反相馈电，可实现低副瓣和高交叉极化比。

图1为我们所设计的1×6龙勃透镜天线阵列，它由1个馈源和6个龙勃透镜单元组成，每个龙勃透镜单元的直径为80 mm，分别对应1个微带辐射器。通过对6个微带辐射器进行并联馈电设计，可大幅度提升副瓣性能。

图1 1×6龙勃透镜阵列

如图2所示，对馈电网络加泰勒窗进行不等功分设计，可以降低该阵列天线的副瓣，同时水平极化方向左侧三个馈源和右侧三个馈源采用180°反相馈电设计，可有效提高交叉极化比。其中，不等功分设计主要是根据一维泰勒权系数，计算出不同位置微带辐射馈源的功率分配比，再将这个功率分配比加入到馈电网络中，馈电网络中不同的线宽对应不同的功率。

图2 1×6阵列馈电网络

3 仿真结果

仿真实验结果见图3、图4，其中，θ角为俯仰角，φ角为方位角。图3中，上端的曲线φ=90°，下端的曲线φ=0°；图4中上端的曲线φ=0°，下端的曲线φ=90°。

图3 Gain Phi仿真结果

图4 Gain Theta仿真结果

通过图3、图4可以看出，使用了龙勃透镜单元的阵列天线，增益能得到大幅度提高，且具有-18.7 dB的超低副瓣，同时具有-51.8 dB的高交叉极化比，性能得到极大优化。

4 结束语

通过独特的设计，阵列天线通过在馈源上放置龙勃透镜可大幅提高天线的增益，在80 mm×480 mm口径范围内，增益可达到26.5 dB。同时对馈电网络进行幅度加窗和180°反相馈电设计，进一步降低了天线的副瓣和提高了天线的交叉极化比。

本阵列天线的副瓣远低于传统天线的-13.5 dB，且对增益的影响不到0.1 dB。阵列天线在设计带宽内的交叉极化比均小于-40 dB，属高交叉极化比。天线综合性能指标远超传统未经优化设计的阵列天线，可广泛应用于对辐射特性要求较高的卫星通信等领域。