基于新型泡沫材料的龍伯透鏡天線設(shè)計(jì)

燕秀林 史昀祺 朱麗娜*

①(西安交通大學(xué)城市學(xué)院 西安 710018)

②(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 西安 710071)

1 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)和射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)無(wú)線電設(shè)備在人們的生產(chǎn)生活中已經(jīng)不可或缺。其中天線作為無(wú)線電系統(tǒng)中的不可缺少的部分，承擔(dān)著發(fā)射和接收電磁波的作用，通常會(huì)直接影響到系統(tǒng)的性能。由于無(wú)線電設(shè)備使用的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)天線的要求也多種多樣：多目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)要求天線具有較大的增益，較大范圍的波束一致性以及更快的目標(biāo)跟蹤速率；大容量的衛(wèi)星與地上站點(diǎn)的通信則要求較寬的信道頻帶；電視直播衛(wèi)星的迅速發(fā)展，導(dǎo)致一個(gè)天線接收多顆衛(wèi)星信息的要求日益迫切；5G通信和汽車(chē)防撞雷達(dá)等民用領(lǐng)域需要高效率和低成本。傳統(tǒng)的衛(wèi)星和地面站通信天線多采用拋物面天線，但是拋物面天線具有剖面尺寸較大、抗風(fēng)能力較差、一天線多星通信困難等缺點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的多波束天線由于天線形狀的限制，波束范圍一般不大并且波束間的差異也很大?，F(xiàn)階段的掃描天線主要有機(jī)械掃描天線和相控陣掃描天線，而傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線往往需要轉(zhuǎn)動(dòng)天線，由于大部分天線的質(zhì)量較大，掃描速度和波束穩(wěn)定性均難以得到保證。雖然相控陣的掃描速度很快，但是一般相控陣天線造價(jià)較高，特別是在有源相控陣天線中會(huì)使用大量的T/R組件，令其設(shè)計(jì)成本和制作成本更為昂貴，很難用于一般的民用衛(wèi)星通信領(lǐng)域。在應(yīng)對(duì)上述場(chǎng)合中的難題時(shí)，龍伯透鏡天線是一個(gè)很好的選擇[2–5]。

龍伯透鏡這個(gè)概念早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)被提出來(lái)了[6]，理想的龍伯透鏡是由介電常數(shù)連續(xù)漸變的材料制成的，但是由于自然界之中不存在這樣的材料而且人工制作這種材料的技術(shù)還不能應(yīng)用于實(shí)際工程之中，所以龍伯透鏡天線的研制并沒(méi)有得到太大的進(jìn)展。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中常用分層設(shè)計(jì)的離散球殼來(lái)代替介電常數(shù)連續(xù)漸變的材料[7–9]，相較于制備難度過(guò)高的介電常數(shù)漸變的材料，制備梯度介電常數(shù)分布的龍伯透鏡天線成為主流。根據(jù)分層龍伯透鏡的設(shè)計(jì)理念，人們很自然地能夠想到向自然界尋找不同的天然材料來(lái)滿(mǎn)足這種介電常數(shù)變化的要求。但天然材料能滿(mǎn)足這種要求的材料非常有限，而且所選用的材料之間介電常數(shù)梯度通常會(huì)因?yàn)檫^(guò)大只能在層與層之間添加阻抗匹配層來(lái)減小這種強(qiáng)反射引起的電磁能量損耗[10]。后來(lái)人們將聚四氟乙烯(介電常數(shù)為2.1)介質(zhì)球沿垂直某個(gè)球徑的方向分層，按照一定的打孔規(guī)則在不同的介質(zhì)層上鉆孔，通過(guò)等效媒質(zhì)理論在整體上達(dá)到所需的介電常數(shù)[11]。然而，這種打孔方案通常需要很高的精度，加工成本較高。

PMI泡沫是所有高分子泡沫中比強(qiáng)度最高的泡沫，是一種輕質(zhì)、閉孔的硬質(zhì)泡沫塑料，具有比其他硬質(zhì)泡沫塑料更高的比強(qiáng)度、比模量和抗蠕變性，是目前耐熱性最好的剛性結(jié)構(gòu)泡沫塑料。PMI泡沫在航空航天中取得了很多成熟的應(yīng)用，包括國(guó)家大飛機(jī)系列、軍用無(wú)人機(jī)、火箭和導(dǎo)彈等領(lǐng)域，近年來(lái)在民用領(lǐng)域也取得了諸多應(yīng)用，比如民用無(wú)人機(jī)、魚(yú)鰾、醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)器材，軌道交通領(lǐng)域取得了相關(guān)應(yīng)用。其作為龍伯球的材料有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：百分百閉孔結(jié)構(gòu)，且各向同性；介電常數(shù)可以通過(guò)發(fā)泡密度進(jìn)行調(diào)控；介質(zhì)低損耗；比重小，耐高溫，工藝成熟；整體為一個(gè)實(shí)心球，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固[12–14]。

該文通過(guò)將新型泡沫材料PMI與龍伯透鏡結(jié)合，利用泡沫材料的發(fā)泡工藝制備出不同密度的產(chǎn)品，不同的密度對(duì)應(yīng)著不同的介電常數(shù)，然后通過(guò)選取合適參數(shù)的泡沫塊進(jìn)行多層龍伯透鏡的仿真優(yōu)化，最終制備出工作頻率在33.7 GHz下65 mm半徑的龍伯透鏡天線，其增益可以達(dá)到25.65 dBi，波束寬度僅有4.17°，該方法加工時(shí)僅需將不同參數(shù)的泡沫塊進(jìn)行簡(jiǎn)單切割，省去了高精度打孔等操作，制作簡(jiǎn)單且重復(fù)性高。

2 分層泡沫龍伯透鏡的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 龍伯透鏡的原理

龍伯透鏡天線是一種球?qū)ΨQ(chēng)的介質(zhì)透鏡天線，它具有會(huì)聚和定向發(fā)射電磁波的功能，可以接收和探測(cè)任意方向上的電磁波，同時(shí)也可以向任意方向發(fā)送電磁波。它是由Luneburg于1944年基于幾何光學(xué)方法提出的。他提到，當(dāng)一個(gè)球?qū)ΨQ(chēng)透鏡的介電常數(shù)變化遵循公式εr=2?r2(0≤r≤1)時(shí)，那么一束平面波入射到透鏡表面上，它將會(huì)聚焦到沿直徑的另外一個(gè)端點(diǎn)上[15]，如圖1所示。正是這樣的球形使多波束的實(shí)現(xiàn)變得非常容易，因?yàn)橥哥R表面的每一個(gè)點(diǎn)都可以認(rèn)為是焦點(diǎn)，只要在透鏡的表面安放多個(gè)饋源，就可以很容易得到多波束[16]，而且每個(gè)波束的增益相同。這種利用龍伯透鏡實(shí)現(xiàn)多波束的方案克服了傳統(tǒng)拋物面天線中由于饋源偏焦導(dǎo)致的增益損失的問(wèn)題，適用于多址通信場(chǎng)合。當(dāng)將龍伯透鏡天線用作掃描天線時(shí)，只需要移動(dòng)饋源位置即可實(shí)現(xiàn)，避免了轉(zhuǎn)動(dòng)笨重的口徑天線體，這樣使得波束掃描速度大大增加同時(shí)也能保持很好的掃描穩(wěn)定性。此外，龍伯透鏡本身通常都具有很寬的工作頻帶，而其工作頻帶一般僅取決于饋源的工作頻帶，因此它也適合用大容量的寬帶通信系統(tǒng)中。

圖1 龍伯透鏡原理示意圖

2.2 泡沫塊密度與電性能參數(shù)

針對(duì)PMI泡沫進(jìn)行不同密度的發(fā)泡，可以想到，PMI泡沫的密度與其介電常數(shù)是成正相關(guān)的，我們針對(duì)10種不同密度的PMI泡沫進(jìn)行電性能檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 PMI泡沫密度與其電性能參數(shù)

2.3 分層龍伯透鏡的仿真優(yōu)化

對(duì)于分層龍伯透鏡的層數(shù)以及每層介電常數(shù)和厚度等參數(shù)，在CST軟件中進(jìn)行多次仿真，其中饋源為工作在33.7 GHz的方形波導(dǎo)饋源(8.5 mm×8.5 mm×35 mm)，仿真時(shí)饋源緊貼龍伯球外表面，仿真模型如圖2所示，其中球顯示為剖面圖。

圖2 龍伯透鏡仿真模型圖

最終選取序號(hào)為3, 5, 7, 9的泡沫塊所對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行4層球的優(yōu)化，從內(nèi)到外4層球的半徑分別為r1, r2, r3, r4，其中r4固定為65 mm，優(yōu)化結(jié)果中增益可達(dá)28 dBi，其中部分優(yōu)化方案結(jié)果如圖3所示。

圖3 r1=32 mm, r4=65 mm下的部分優(yōu)化方案

由于分層方案中最外層球的介電常數(shù)與理想龍伯球最外層介電常數(shù)1不同，焦點(diǎn)會(huì)從球表面向外移動(dòng)，所以接下來(lái)針對(duì)饋源距離的研究也非常有必要，我們選取之前優(yōu)化結(jié)果中較好的幾種方案進(jìn)行對(duì)饋源距離的仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，當(dāng)r1, r2,r3分別為32 mm, 47 mm, 58 mm時(shí)，隨著饋源距離l的調(diào)整，增益從28.1 dBi增加到28.9 dBi。

圖4 增益隨饋源距離的仿真結(jié)果

3 加工實(shí)測(cè)

3.1 龍伯透鏡及其工裝的設(shè)計(jì)加工

根據(jù)最終的優(yōu)化方案對(duì)4種不同密度的泡沫塊進(jìn)行加工，分為兩個(gè)半球，如圖5所示，其中凹槽與凸起的作用是方便將兩半球更簡(jiǎn)易地拼接。

圖5 泡沫龍伯球?qū)嵨飯D

3.2 實(shí)測(cè)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)微波暗室，由屏蔽室、吸波材料(單層鐵氧體片和錐形含碳海綿吸波材料)以及信號(hào)傳輸板、轉(zhuǎn)臺(tái)、天線、監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，根據(jù)天線遠(yuǎn)場(chǎng)公式L≥(2D2)/λ可知，測(cè)試時(shí)龍伯球與接收探頭之間的距離為6 m，符合遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件。天線增益的計(jì)算方法為比較法測(cè)增益，即在6 m處先用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭進(jìn)行標(biāo)定，然后根據(jù)待測(cè)天線接收功率與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的電平差值進(jìn)行計(jì)算。測(cè)試環(huán)境如圖6所示。測(cè)試最優(yōu)結(jié)果如圖7所示，其中饋源距離球表面為3 mm，增益為25.65 dBi，波束寬度為4.17°。

圖6 龍伯透鏡測(cè)試圖

圖7 饋源距離l=3 mm時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)圖

4 誤差分析

4.1 測(cè)試與仿真對(duì)比

為了更直觀地比較測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的差異，將兩者的縱坐標(biāo)歸一化，如圖8所示。

圖8 測(cè)試仿真結(jié)果對(duì)比圖

在33.7 GHz，饋源距離龍伯球表面3 mm時(shí)，仿真的增益為28.9 dBi，測(cè)試的增益為25.65 dBi，增益差異較大，將兩者歸一化比較，可以看到仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的主瓣吻合較好，波寬均在4°左右，主要差異在旁瓣上，測(cè)試結(jié)果的旁瓣偏高。

4.2 誤差分析

測(cè)試結(jié)果對(duì)比仿真結(jié)果，旁瓣較高，由龍伯透鏡原理圖分析原因可能是加工龍伯球時(shí)由于中間層的PMI泡沫塊厚度不夠，需要先將兩個(gè)泡沫塊粘合在一起才能加工，而粘合所用的膠水為環(huán)氧樹(shù)脂膠水。環(huán)氧樹(shù)脂膠的種類(lèi)很多，有很多配方，主體一般是各種環(huán)氧樹(shù)脂，然后加環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，不同配方的環(huán)氧樹(shù)脂膠水電性能雖然有所不同，但其都具有較大的介電常數(shù)，在龍伯透鏡中，這種高介電常數(shù)層具有更大的折射率，將原本應(yīng)該集中在主瓣的部分能量折射到副瓣，導(dǎo)致測(cè)試效果不理想。

5 結(jié)論

本文將新型泡沫材料PMI與龍伯透鏡結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種4層高增益小型化天線，首先研究了PMI發(fā)泡出不同密度泡沫塊的電性能參數(shù)，然后根據(jù)這些泡沫塊參數(shù)通過(guò)仿真優(yōu)化確定加工層數(shù)并選取合適的泡沫塊，最后針對(duì)饋源距球表面的距離進(jìn)行優(yōu)化，最終得到一款質(zhì)量?jī)H有380 g，半徑大小65 mm的高增益龍伯透鏡天線，波束寬度僅為4.17°，增益高達(dá)25.65 dBi。對(duì)于多波束的需求，僅需將多個(gè)饋源放置球表面合適位置，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此，該文對(duì)于實(shí)際項(xiàng)目中小型化高增益多波束天線的設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。