共形透鏡天線的設計方法

張文波，路志勇

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

由于飛行器速度越來越高，突出機體安裝的天線會影響飛行器的空氣動力性能。因此飛行器上天線采用共形天線是非常適宜的。但是對于某些電子系統(tǒng)中，如測控系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的整體性能，對機載天線提出了很高的要求。主要要求有：

（1）完全與機體共形；

（2）具有較高的增益；

（3）具有跟蹤功能。

上述后兩項要求對于地面天線來說，很容易實現(xiàn)。因為反射面天線可以實現(xiàn)高增益，并可利用伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)跟蹤性能。但是對于機載共形天線來實現(xiàn)高增益和跟蹤性能，就會非常困難?？蓪崿F(xiàn)高性能共形天線的主要形式是共形相控陣天線，但復雜度和成本都非常高。在本文中，提出利用共形透鏡天線來實現(xiàn)高增益性能，并且可與機體良好共形。

2 共形透鏡天線設計原理

對于普通的透鏡天線，其原理如下：透鏡采用透波介質(zhì)，制作成凸透鏡形狀，具有會聚波束功能；饋源位于透鏡的焦點上，從接收角度來看，用于接收透鏡會聚的波束。

對于共形透鏡天線，其原理與普通的透鏡天線相同。其不同點在于所采用的透鏡為共形結構。

圖1 普通透鏡天線與共形透鏡天線

在共形透鏡天線的設計中，關鍵問題為共形透鏡的設計。為了使共形面具有類似凸透鏡會聚波束的功能，可采用的方法有：①共形面的不同部分采用不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，如在共形透鏡中央部分采用高介電常數(shù)材料，邊緣部分采用低介電常數(shù)材料，使得透過的平面波到達饋源的光程相等，可是饋源具有較高的接收效率；②共形面采用透射型頻率選擇表面，頻率選擇表面的不同區(qū)域?qū)τ陔姶挪ㄍ干浜蟮南嘁撇煌?。比如在共形透鏡中央部分采用相移量大的電磁孔徑，在邊緣部分采用相移量小的電磁孔徑，從而可以實現(xiàn)平面波經(jīng)共形透鏡后達到饋源的相位一致，即也滿足等光程條件，因此可使饋源具有較高的接收效率。

第一種方法需要制作各種介電常數(shù)的介質(zhì)材料，并且把這些材料做成一體，因此難以實現(xiàn)。在這里，采用第二種方法來實現(xiàn)共形透鏡天線。

第二種方法實現(xiàn)的基礎是頻率選擇表面的設計，在這里，需要透射型的頻率選擇表面。頻率選擇表面是一種周期性結構，利用周期性的貼片形狀可以實現(xiàn)對諧振頻率入射波的全反射，利用周期性的孔徑形狀可以實現(xiàn)對諧振頻率入射波的全透射。

透射型頻率選擇表面的單元可以采用不同的孔徑形狀來實現(xiàn)，如方形，圓形，圓環(huán)形，十字形等，如圖2所示。圖2中，白色部分為空氣或介質(zhì)區(qū)域，灰色部分為金屬區(qū)域。

圖2 透射型頻率選擇表面單元形狀

透射型頻率選擇表面的頻率特性與孔徑單元尺寸密切相關。一定尺寸的孔徑單元對應某一諧振頻率，比如當十字形孔徑的長度為某頻率所對應波長的一半時，在這個頻率上產(chǎn)生諧振。對于透射型頻率選擇表面，在諧振頻率上，表面對入射波產(chǎn)生全透射；遠離諧振頻率時，表面對入射波呈現(xiàn)屏蔽。

在頻率選擇表面的設計中，一般只考慮表面反射或透射的幅度特性，不用考慮表面的相位特性。然而在共形透鏡天線或共形面反射面天線的設計中，將要仔細考慮表面透射或反射的相位特性。因此，下面對用于共形透鏡天線的頻率選擇表面進行一些分析。

圖3 十字形孔徑單元組成透射面示意圖

上面提到，對于某一尺寸（長度為l）的十字形孔徑，其長度為諧振頻率（f0）的半波長。以f0為設計頻率，則長度為l的十字形孔徑為最合適的諧振尺寸。但是，這種十字形孔徑具有一定帶寬，因此對于相近的頻率，都會呈現(xiàn)諧振。也就是說，對于設計頻率f0，長度為l附近的十字形孔徑都可以呈現(xiàn)諧振。不同長度的十字形孔徑對于頻率為f0的入射波，必然具有不同的透射相移特性。另外，對于不同的入射角，其透射相位特性也會略有不同。

在所設計的透射面上，在不同位置分別布有不同孔徑的十字形單元。這些單元對于入射的平面波產(chǎn)生不同的相移量。饋源距離相移量大的孔徑單元較近，距離相移量小的單元較遠，設計的目的就是用不同尺寸孔徑單元所引入的不同相移量，來補償透鏡共形面的不同部分與饋源的距離差值。這樣，入射的平面波經(jīng)透射面達到饋源的路程相等，因此透射面起到會聚波束的作用，天線具有較高的增益。

透射面不同部分孔徑單元的相移量可根據(jù)相位補償原理來確定，如圖4所示。在圖4中，射線從饋源中發(fā)出，與圖4和圖1中的射線方向相反。其實，根據(jù)天線的互易定理，天線作為發(fā)射或接收，具有相同的性能。示意圖中畫成發(fā)射或接收，都是為了便于理解。

圖4 共形透鏡相位補償原理

因此，共形透鏡上不同位置的相移量可以確定，從而根據(jù)透射相移量與孔徑的關系確定不同位置所需要孔徑的尺寸，從而完成共形透鏡的設計。

對于共形透鏡天線饋源的設計，與普通透鏡天線或反射面天線一樣，先根據(jù)透鏡尺寸和饋源位置確定饋源照射角要求，再設計滿足照射角要求的饋源。饋源可采用各種形式的喇叭天線或背腔振子天線。

3 共形透鏡天線的共形設計

由于共形透鏡天線具有較大的天線口徑，可以實現(xiàn)較高的增益。因此機載情況下應用共形透鏡天線的關鍵問題就是共形設計。

由于共形透鏡天線的透鏡為共形面，因此其易于實現(xiàn)與機體共形。在設計時，用共形透鏡代替機身上一部分蒙皮，如圖5所示。圖5中，實線和虛線共同組成飛機的截面，其中實線部分用作共形透鏡的透射面，代替原有飛機蒙皮。饋源放置于機體內(nèi)部。如果安裝天線的蒙皮部分為某種曲面形狀，則透鏡變?yōu)榍嫘螤?。在設計時，考慮到曲面形狀，根據(jù)等光程條件，設計曲面上不同部分透射單元的形狀。

圖5 飛機部分蒙皮用于共形透鏡示意圖

在共形設計中，由于飛機蒙皮的一部分用透射面代替，必然在蒙皮上留有一些孔徑。這些孔徑利用強度好的透波材料進行填充，使得這部分材料具有與原機體材料相當?shù)臋C械性能。

4 共形透鏡天線的擴展功能設計

共形透鏡天線除可進行嚴格的共形設計和具有良好的高增益性能外，還可通過引入一些輔助手段，獲得許多其它功能。因此經(jīng)過功能擴展設計，這種天線可獲得許多良好的電氣性能。

4.1 雙頻設計

對于雙頻設計要求，除饋源采用雙頻段共用饋源外，天線透射面也要進行雙頻段設計。

圖6 雙頻透射單元示意圖

雙頻使用的透射面單元如圖6所示。透射面單元由兩種尺寸的十字形孔徑組成，小尺寸十字形孔徑為高頻段單元，大尺寸十字形孔徑為低頻段單元，兩種單元分別透射高頻段電波和低頻段電波。

4.2 多波束設計

對于透鏡共形面，利用相位校正技術，通過放置多個饋源可以實現(xiàn)多波束設計。也就是說，將幾個饋源同時放置在同一個透鏡共形面前，天線的波束可以向幾個不同的方向輻射。根據(jù)需要，這幾個波束可以是同時工作的波束，也可以是互相切換的波束。

4.3 波束賦形設計

利用多饋源和共形透鏡組合賦形技術可進行波束賦形設計。其基本原理是采用幾個小饋源陣和精心設計的共形透鏡組合賦形，在基本服務區(qū)形成幾個所要求的固定區(qū)域賦形波束，通過各區(qū)域波束的不同組合及優(yōu)化激勵系數(shù)來獲得形狀可變的賦形波束。

4.4 波束掃描設計

共形透鏡天線透射面的孔徑陣元相當于引入固定的相移。在每一個陣元之后再接入可變移相器，就可形成透射型空間饋電相控陣天線，因此具有波束掃描功能。

另外，在不引入可變移相器情況下，只改變饋源的照射方向，也可改變天線的波束方向。因此，共形透鏡天線可具有跟蹤功能。

上述兩種方法，一種是電掃描，一種是機械掃描，都使得共形透鏡天線具有跟蹤功能。由于兩種方法都不需要移動透射面，因此可以把一部分飛行器機體蒙皮用作透射面，這樣便于實現(xiàn)天線的共形安裝。

5 共形透鏡天線的用途

由于共形透鏡天線的透鏡共形面與機體嚴格共形，饋源位于機體內(nèi)，因此這種天線可用于高速飛行器的共形天線。這種天線具有較高的增益，并且易于實現(xiàn)跟蹤功能，因此可用作飛行器上高性能的通信天線或測控天線。

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