基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化陣列天線

桂萬如，楊如意

（合肥若森智能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

1 研究背景

陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規則或隨機排列并通過適當激勵獲得預定輻射特性的特殊天線，其所用的輻射源可以根據天線饋電電流、間距、電長度等不同參數，按照直線或者其他復雜形式來構成陣列以獲取和調節最優的輻射方向特性，由此在現代移動通信、衛星通信、廣播電視等領域得到了廣泛應用[1]。隨著技術的進步和需求的推動，人們對陣列天線的研究也日益成為一個重要的方向。

按照天線單元的排列可將陣列分為線陣和面陣。最常用的線陣是各單元的中心依次等距排列在一個直線上的直線陣，線陣的各單元也可以不等距排列，或者各單元中心不排列在一條直線上，例如，排列在圓周上。多個直線陣在某一個平面上按一定間隔排列就構成了平面陣，若各單元的中心排列在球面上就構成了球面陣。天線陣按輻射圖形的指向可分為側射天線陣、端射天線陣和既非側射又非端射的天線陣。側射天線陣是最大輻射方向指向陣軸或陣面垂直方向的天線陣；端射天線陣是最大輻射方向指向陣軸方向的天線陣；最大輻射方向指向其他方向的天線陣為既非側射又非端射的天線陣。

陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻射場的矢量和。由于各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨立調整，這就使陣列天線具有單個天線無法實現的可調輻射參數等優勢。

當前陣列天線在衛星通信應用過程中，具有兩個方面的主要問題：一個是副瓣電平高，在衛星通信中，高副瓣電平會導致對臨近衛星的干擾。另一個是交叉極化比低，導致天線使用時的收發天線隔離度降低，影響天線性能。

2 基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化陣列天線

我們利用龍勃透鏡具有的“將來自某個方向入射的平面波聚焦于透鏡表面上的一點，使安裝在透鏡表面的饋源能夠實現高定向性輻射”特征[2]，將陣列天線單元置于龍勃透鏡表面，用于接收或發射來自各個方向的平面波束[3]，可以保證各波束具有相同的形狀和增益，實現了大角度波束掃描，并解決了現有的陣列天線副瓣電平高、交叉極化比低的問題。

基于龍勃透鏡的低副瓣高交叉極化比陣列天線采用1×N天線陣綜合方法，天線陣由微帶饋源和龍勃透鏡單元組成，微帶饋源的間距與龍勃透鏡單元的尺寸相關，通過對微帶饋源的功分網絡進行幅度加窗和180°反相饋電，可實現低副瓣和高交叉極化比。

圖1為我們所設計的1×6龍勃透鏡天線陣列，它由1個饋源和6個龍勃透鏡單元組成，每個龍勃透鏡單元的直徑為80 mm，分別對應1個微帶輻射器。通過對6個微帶輻射器進行并聯饋電設計，可大幅度提升副瓣性能。

圖1 1×6龍勃透鏡陣列

如圖2所示，對饋電網絡加泰勒窗進行不等功分設計，可以降低該陣列天線的副瓣，同時水平極化方向左側三個饋源和右側三個饋源采用180°反相饋電設計，可有效提高交叉極化比。其中，不等功分設計主要是根據一維泰勒權系數，計算出不同位置微帶輻射饋源的功率分配比，再將這個功率分配比加入到饋電網絡中，饋電網絡中不同的線寬對應不同的功率。

圖2 1×6陣列饋電網絡

3 仿真結果

仿真實驗結果見圖3、圖4，其中，θ角為俯仰角，φ角為方位角。圖3中，上端的曲線φ=90°，下端的曲線φ=0°；圖4中上端的曲線φ=0°，下端的曲線φ=90°。

圖3 Gain Phi仿真結果

圖4 Gain Theta仿真結果

通過圖3、圖4可以看出，使用了龍勃透鏡單元的陣列天線，增益能得到大幅度提高，且具有-18.7 dB的超低副瓣，同時具有-51.8 dB的高交叉極化比，性能得到極大優化。

4 結束語

通過獨特的設計，陣列天線通過在饋源上放置龍勃透鏡可大幅提高天線的增益，在80 mm×480 mm口徑范圍內，增益可達到26.5 dB。同時對饋電網絡進行幅度加窗和180°反相饋電設計，進一步降低了天線的副瓣和提高了天線的交叉極化比。

本陣列天線的副瓣遠低于傳統天線的-13.5 dB，且對增益的影響不到0.1 dB。陣列天線在設計帶寬內的交叉極化比均小于-40 dB，屬高交叉極化比。天線綜合性能指標遠超傳統未經優化設計的陣列天線，可廣泛應用于對輻射特性要求較高的衛星通信等領域。