（通信与信息系统专业论文）介质球透镜多波束天线研究.pdf

硕士论文介质球透镜多波束天线研究 ab s t r 自 c t m ul t i p l e 七 已 幼 a n t e n n a p l 盯 s a key ro l e in公 ir e e 一 d i m e ns i o nal . 己 ar.inthis thes i s ， one 物d of由 el e 川 对 c l 即s a n 众 ， 口 a sy st 。 刀w hi c b can l ea d to零 e a 幻 y 川 c r 既 ” e d s 啊 。 。 ， “ age b asbeenin vestig a l e d . t b e sy 别 贻 miscom pos e dof众 姆 da n t e 侧 山 巧汕d di el ect ri cs p h eric al l ens. the fe eda n t 日 田 肚 玛畔 p l a 以 月around th e 呐 眼; the beam s can can beachi eved勿the s wit c 坛 ngofthe 丘 姆 d . t 五 e m a i n re s e aj 旧 h is: i)t b e b as icp n o cipleadd 叨a 】 州喇 m 川 由 o d ofthe l 。 招a n t e n d a 瞬 di sc uss ed. ag ener 目m edelofth edi el e c 州 cl ens a n t 曰 肚 坦isbulltandall 翻 的 dsof e ffi c l e n c y bav e 悦 eddefi n ed. ii)t 七 e v o 】 切 口 e ofthe ta 户 刃目 以别 吐 即 朋is v 。 ，bi g ， soy a gi朗 t e n d a isd e s i gned b y h f s s . t h e 明 rb o l e l ength o f 面s a n t 。 忿 . isouly l .4 几 ， w h j l e the tapeds l ot 别 吐 e n n 日叨 u l n e e ds 几 inthe， 刃 ” e c o n d itio n . 沉)afe wp araid日 翔 rsw hi cbcan in fe r e n c e the performance ofthe sys t o nhav e h 笼 。 inve s t ede si 祀 c i ally tothe e ffi ci en c y an d 云 灯 fi el d radi 涌onp r o 拌 川 i e s . (a) t h e i n d e x o f 比 加以 i o n o f the l ens m ai 川 y i n fl u e n c e th e f( 祀 usi n g pr o pert i es 伪 ) the hi g g e r the radi usofthe sp h 峨， the n 翻 rt o wer bea j l l 叻d thofthe 助t e n n 氏(c ) t 五 e di s 让 口 ce比卜 舟 e enthe snh e reand th e fe ed a n t e n 目 以 m a inly i n 月 彻 cethe e ffi ci e n c y of此 s y 引 e mand 阮 si defo be( d)aio ng初ththe m c 以 戈 吐 七oft h e fe e d a n t e n o a ，s he别 叮嫩d th， 娜llov er. ffici enc y 杭llincr e a s e ， b utthe beaj .诚dth ofth e sy s t e m初1 1 d ecr e ase. (e) 0 吐 比 p 浑 i seth e re se 别 旧 h w o r kai som v e sts howc u tt in g the 呐峨5 加 月 u e n c e th e e ffi ci edc yofthe sy引 匕 m iv )t b ew o rkdi s c u s ed a b o ve b a s bee n诵l iz e dtode si gn am u lt iple be田 叮 homog e n o usdi el ec tri c s p b eri喇 l ens 助 t 。 艺 坦sys te matl 4 g h 乙th e b e a ln s o v erl叩at3 d bl e v e l ， and scan co v 。 旧 g e can reac h3 6 0 o b y th e 2 0 伙 坦 m s 胡d the e ffici 哪 y ofthe sys t e mcan 优 a c h 50% . k e ywo r d s : di e l e c t ri c l e ns， y 娘1 一 a n t e n n a g e o m e t ri c o pt i c s ，r ay . 如c in g te c 知 吐 ques 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 1 绪论 ， . 1 课题研究背景 三坐标雷达 ( t h ree 一 dimensi onal r a d a r ) 也称三度空间雷达，它能同时测定空 间目 标的距离、方位角和仰角，能快速提供大空域，多批量目 标的三坐标测量数据， 同时有较高的角度测量精度和分辨力1101。 三坐标雷达大体上可分为单波束雷达和多波束雷达两类， 单波束雷达的针状波束 在方位角和俯仰角两个平面上扫描。 而多波束雷达在一个 ( 或两个) 平面内存在数个 相互部分重叠的波束， 目 标的角度通过相邻波束的等信号法处理获得。 因为与单波束 三坐标雷达相比， 在搜索空域和精度相同的条件下， 数据率可以 提高数倍。 所以 多 波 束方式仍然是现今三坐标雷达的主流。 等信号法测角按照波束的形成方式可以分为同时波束转换和顺序披束转换。 同时 波束转换技术在空间中同时形成两个或多个接收波束; 而顺序波束转换技术则让两个 或多个波瓣在时间上交替出现， 或者只要扫描其中一个波束， 使它按时间顺序在各个 位置上交替出现.按照这个波束扫描原理的不同又可以分为频扫体制，相控阵体制， 以及数字波束形成体制等. 由 于本项目 对实时处理速度要求非常高， 采用顺序波束转换无法获得实时的目 标 信号， 制约处理速度， 所以必须采用同时波束转换技术。 其中的堆积多波束测角技术 比 较成熟， 其开发成本比 相控阵低， 测量精度高于频扫天线， 数据率高， 并且利用此 技术可同时比 较多个相邻的仰角接收波束中目 标距离处的回波幅度， 便于实时处理。 工作时，把同时形成的波束在空间上堆积起来，每个波束有其独立的信息通道， 它既可以收发都采用多波束. 也可以 只在接收时采用多波束， 而发射采用宽波束( 其 覆盖空间范围和多 个接收波束的接收范围 相同) .因为 接收时天线工作在微弱功率状 态， 接收多波束较发射多波束技术上容易实现， 且控制和处理比较灵便， 因而现行的 堆积多波束体制多工作在接收多波束方式。 反 射面天线在实 现堆积多波束上应用较早， 它根据抛物面天线的 偏焦特性， 一个 相位中 心横向 偏焦的喇叭照射抛物面可以 产生 辐射方向 偏离焦轴的 波束， 而一组沿通 过焦点的某一轨迹排列的喇叭照射抛物面可以 产生一组相互错开且部分重叠的多 个 波束。 用反射面实 现多 波束虽然设计成熟， 但馈源喇叭和反射面多为金属制成， 体积 庞大， 造成整个系统的 机动性和可维护性差， 不利于雷达的生存和快速反 应。 本论文 旨 在利用各种透镜天线可以 聚焦且相对质轻的 优点， 开发一种可以 替代笨重反射面的 透镜多波束天线。 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 ， . 2 介质透镜多波束天线简介 透镜天线是实现堆积多波束的另一种有效方式， 它可以由多个馈源排列在它的前 焦面上而形成多波束。 透镜天线一般由透镜和馈源天线共同使用. 馈源天线是一种方 向 性较弱的天线， 如喇叭天线、 振子天线、 微带缝隙天线等等。 透镜则由对电磁波透 明的 材料制成，材料折射率大于1 。馈源天线放在透镜的焦点5 上 ( 如图1 . 1 所示)， 透镜朝向馈源天线的一面称为照明面，另一面称为口径面。 口径面 ( 平面) 图1 . 1透镜天线的 基本结构 透镜天线早在20世纪30年代就己 经出现， 但以 往的微波应用频率不是很高， 在 高 增益， 窄波束的微波天线中， 之前 通常都用反 射器( 如旋转抛物面天线) 。 透镜天线 和曲面反射器一样， 也能将发散的电磁射线转化成互相平行的射线。 但是在低频率的 波段. 介质材料制成的天线体积巨大而笨重。 应用介质透镜天线的优势相对于面天线 来说并不明显。 随着微波频段逐渐拥挤， 应用频率逐渐向 厘米波甚至毫米波靠近，在这个频段， 小体 积的介质透镜就可实 现很大的聚束作用井且具有独特的优点。如在同波束宽度 下， 透镜具有在大角度范围内 扫描的能力，另外透镜天线的旁瓣和后瓣明显的较低， 因 而方向 性较好， 所以 近年来 对透镜天线的研究和应用逐渐增多:1 9 8 2年美国发射 的第三代国防通信卫星采用了1 副61波束波导透镜接收天线及2 副具有波束成形网 络的19波束波导透镜多波束发射天线;1 9 88 年法国 汤姆逊公司开始研制的arabel 雷 达系统采用rad ant 透镜天线进行波束控制， 并于1 9 99年装备在 “ 夏尔. 戴高乐” 号 核动力航空母舰上; 2 0 03年住友电 工与jsat株式会社首次将能以 较高灵敏度接受 来自 任意方向电 波的龙伯介质透镜天线加以实 用化， 从而使一台 天线可以 接入多颗卫 星; 最近吴锡东等人设计了 一 种工作于7 7ghz的汽车防 撞雷达多波束天线， 其扫描角 可以 达到1 5 00甚至更高。 硕士论文介质球透镜多 波束天线研究 1 .4 论文结构安排 本文以 堆积多波束三坐标雷达为应用背景， 具体围绕如何用介质透镜实现多波束 进行研究，重点对一种工作频率 1 拐hz 的单介质球透镜多波束天线进行了论证和设 计。本文共分四章，各章内容安排如下: 第一章介绍了 课题的应用背景、指标， 并简单介绍了 介质透镜多波束天线。 第二章介绍了介质透镜天线的理论并用射线追踪法建立了透镜天线的模型。 第三章分析了各种馈源天线的优缺点， 并用h fss 仿真设计了一种八木天线。 第四章给出了球透镜天线的模型， 重点研究了多个参数对天线的影响， 在此基础 上设计了一个工作于1 拐hz的单介质球透镜多波束天线系统。 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 2 介质透镜天线理论 2.， 射线追踪法 透镜天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场， 从而得出其方向 图， 增益和效率等特性指标。 全面描述在一个相对任意的环境中传播的电磁场是一个 极端复杂的问题， 它要求按照给定的边界条件和初始条件求解麦克斯维方程. 只有当 散射体的形状与某一个可分离坐标系相吻合， 并且有严格的级数解时， 才可以 利用这 种传统的方法求解. 但是在高频率或短波长的 情况下， 即当媒质特性， 散射体参量等 在一个波长的距离上变化十分缓慢时， 问 题可以大大的简化。 对于高频场， 波的 传播 和散射具有局部特性。 即在一个给定观察点邻域内的场不是决定于整个初始表面上的 场分布， 而只取决于该表面的某一有限部分。 例如， 对界面反射场结构起主要作用的 就是在反射点周围的第一菲涅尔区的性质。 从初始表面的 这一部分到观察点之间的能 量传输， 是通过传播轨迹周围的一个有限体积空间连续进行的， 这个轨迹就是几何光 学的射线路径， 于是高频场的属性局部的表现为平面波特性， 即局部场的波前被认为 是垂直于射线路径的平面， 场的振幅在一个波长量级距离上的变化可以忽略。 高频场 现象的局部特性不仅简化了 波的传播问 题， 而且简化了 散射体的散射问 题。 特别是对 于那些形状复杂的散射体， 利用局部原理， 其总的散射特性可以由一些简单的典型形 状的散射及相互作用来确定。 这些典型散射形状代表了 局部散射过程的主要特征， 并 且通常必须用严格的波理论来求解眼 圳。 高频场的局部特性， 使利用几何光学的分析方法来处理电 磁波传播和散射的问 题 成为可能。 由于假设场具有局部平面波属性， 波动方程分别简化为与场的相位和振幅 相关联的 程函 方程和输运方程， 由 此可分别求出电 磁射线的轨迹和电 磁场的振幅及相 位， 使的分析大为简化。 但是由 于局部平面波理论得到的 几何光学场量表达式在源区， 散 射区 和过渡区内 是失效的， 在这些区域内的 场具有更复杂的属性。 这些一般靠更为 精确的绕射理论来分析修正。 波动光学 ( 又称物理光学) 和射线光学 ( 几何光学) 是光学领域中具有不同研究 方 法的两个分支。 波动光学以 光的电 磁理论为基础，认为光振动是电 磁振动， 运用波 动理论来研究光的传播规律和光的 性质， 例如干涉、 衍射和偏振等现象. 射线光学是 以 光在均匀媒质中直线传播规律以 及光在两种不同媒质界面上的反射和折射定律为 5 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 基础， 把光看作光能量传播方向上的几何射线。 根据几何运算的数学方法来研究光线 的传播规律， 并根据这些定律来研究光的传播现象。 它只研究光抽象的客观表现， 并 未涉及光的内 在本质， 它只是波动光学在波长为零的极限条件下的一种近似。 但是由 于射线光学方法的简捷性和直观性，因此有着十分广泛的应用。 虽然射线追踪法是零波长近似，对ku波段的分析会存在一定的误差，但实际结 果表明误差在容忍的范围之内 且影响主要在副瓣内. 对介质透镜天线的分析设计一般 采用这种方法， 即首先求出 从馈源出发到离开 透镜表面处的电场分布， 而后将所得电 场在无穷远处积分得到天线远场方向图等参数。 下面介绍射线追踪法所依据的主要原 理。 2.l i 费马原理 费马原理用光程的 概念对光的 传播规律进行了 简明的 概括。 光程是指光在介质中 传播的几何路径l 与该介质的折射率n 的乘积.i 。 费马原理认为， 光从一点传播到另一点， 其间无论经过多少次折射和反射， 其光 程为极值， 也就是说， 光是沿着光程为极值的路径传播的， 所以费马原理又叫做极端 光程定律。 费马原理是描述光线传播的基本定律无论是光的直线传播定律， 还是光的折射定 律，均可以由费马原理直接导出。 2. l 2 折反射定律 光的 折反射定律是 研究光传播到两种均匀介质分界面时所发生的现象和规律。 这 两个定律的主要内容是: 反 射线、 折射线和入射线均位于由 入射线和界面法线所确定的入射平面内: 反 射线、 折射线与 入射线分别位于法线的 两侧; 由 法线分别与入射线、 反射线和折射线构成的 入射角1 、反射角r 和折射角t 满足式: 拼 s in(i) = 味 s in ( r ) = n2 s in(t )( 2 . 1 . 1 ) 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 2. 2 透镜天线模型 由 于透镜天线由 初级的馈源天线和次 级的 介质透镜两部分组成， 所以 在透镜天线 的 分析中也将按照馈源天线的 特性和介质透镜的 特性两部分来进行。 本节主要介绍透 镜部分的分析方法1:1。 以图 2 . 1所示的透镜天线结构为例。该透镜天线上半部分是延长型半球透镜 ( e x t e n d e d h e “ i s p h e r i c a l l e n s ) ， t 半 部 分 的 馈 源 天 线 紧 贴 在 透 镜 上 . 图2 . 1 延长型半球透镜中 射线追踪的过程 对任一条给定的射线， 都可以 在透镜与空气的分界面上将它的场分解为平行极化 ( u 与 垂直 极 化( 一 ) 两个分量1 2 1 3 1 : 凡 = e 矛 凡= e ， ， n ( 2 . 2 . 1 ) 其 中 ， e是 透 镜 表 面 内 侧 的 电 场 值 ; 艾 是 入 射 波 水 平 极 化 方 向 的 单 位 矢 量 ; 介 是 入 射波和折射波垂直极化方向的单位矢量. 透镜表面外侧的电场可表示成: 其 中 : 凡= 凡 几，凡= 尺 几， e = 凡 1， + 凡 斤(2 . 2 . 2) 式 是 折 射 波 水 平 极 化 方 向 的 单 位 矢 量 ; 几 z n c o s 俨 ， n cos 少 ， +c o s 仍 = ( 1 + 凡) 。 几 cos 树 ， 一n cos 少 ， 篇二 -一 . . . ， . cos 少， +月 闪5 叭 几= z n cos 少 ， 刀 伪5 哟 十cos 料 = 1 + 凡左 土 n c o s 转 一加5 俨t 二 二 一-一一 一 . ， . . . . . n c 0 s 哟 +伪5 哟 ( 2 . 2 . 3 ) 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 这 里t 和r 分 别 是f re sn el传 输 系 数 和 反 射 系 数， n 是 透 镜 的 折 射 率， 甲 ， 和甲 。 分 别 是 入 射角 和 折 射角， 它 们 之间 的 关 系满 足 施 奈 尔 定 律: ns in 甲 。 = s in 甲 。 ; 相 应的 透 镜 表 面 外 侧的 磁 场值 可以 由 下 式 得 到: 城= 氏 、 e ， 气是 折 射 波的 传播 方向， 叮 是 空 气 的本征阻抗。 求出了 透镜表面外侧的电场和磁场后， 就可以利用惠更斯等效原理求出 等 效 电 流 密 度 和 磁 流 密 度 14l ljl : 币 一嵘 x ， h = 一 e ” 花 一 co s 甲 :e : 介( 2 . 2 . 4 ) m ， = 一、 e = e : t 一 co 钾 :e u 介( 2 ， 2 . 5 ) 其中心 是 透镜表 面的 法向 t. 远场的横向电场则等于: e . = 一(l 。 + 明。 ) ( 2 . 2 . 6 ) e 。 = 扭 丝 竺 4 丽 伍 。 一 咖甲 ) ( 2 。 2 . 7 ) 其中: n=小一ds， 卜加jkr “ ds ( 2 . 2 . 8 ) 5 是透镜的外表面;尸 是透镜中心到等效电 流或磁流的距离:r 是透镜中心到远场点 的 距离: 俨 是， 和r 之间的 夹 角。 把式( 2 . 2 . 4 ) 、 ( 2 . 2 . 5 ) 、 ( 2 . 2 . 8 ) 带入式( 2 . 2 . 6 ) 、 (2. 2 . 7 ) ，则远场可写为iji2il: e 一 鉴jj( 以、姚 分 别 表 示 射 线 管 始 末端面的截面积。 射线的功率密度一般随 距离的增加而减小。 如果将射线的等相位面 展开成台劳级数， 便可以得到一个用曲 率半径表示出的表面。 其最大和最小曲 率半径 分别在两个相互正交的主平面内. 这些曲 率半径决定了该射线从源点到场点电 波振幅 的扩散。由 此可以 求出射线两位置上微分面元的比 值: 丛 = 叭 仇 十 d)( 几+ 司 ( 2 . 3 . 2 ) pl八 式 中 八 和八为 主曲 率 半 径， d为 射 线 上 两 点 间 的 距 离 。 由 于 像 散 射 线 并 非以 相 同的曲率半径扩散，所以射线上的电场变化为: 凡 e 一 声 pl几 ( 几十 d)( 八+ d ) (2. 3 . 3 ) 图1 2有两根焦线a b 的相散射线管 硕 士 论 文_ ._二 _介 质 球 透 镜 多 丝 翌 丝 巡 鱼 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 图2. 3 显 示 了 弯曲 介 质 界 面 的 折 射， 两 个 无 穷 大 的 折 射 系 数 分 别 为n : 和n z 的 介 质被一个弯曲的界面分开。 介质 1 中 从源点0开始有一条入射线， 则介质2 中点2 的 传 输电 场尸( 2)和 介质1 中 反 射电 场e 尸 ( 3)可由 下式计 算: e ， (2 ) = (df) z te一 少 ，b e ( 1 )( 2 . 3 . 4 ) e ( 3 ) 二 (df) 3 te一 介 ， e ( 1 )(2 . 3 . 5 ) 创(l)是点1 的 入 射电 场， b 和c 是图2 2中 所示 距离。 r 、 t 分 别是菲 涅尔传输与反 射系数，可定义为: 卜止 匕 1 +y 卜生 竺 1 +y 垂直极化 平行极化 ( 2 ， 3 . 6) ( co s 氏 i cos 乓 ) 一 ，( co s 叹i cos 叹 ) ( 2 . 3 . 7 ) n 二n z / ” 1(2. 3 . 8 ) 图2 .3弯曲介质界面的折射 入 射角乓 与 折射 角叹 如 下 关 系:s in 乓= ns in 只 ( 2 . 3 . 9 ) 因 子 口 f)2 和( d f ) ， 是 扩 散 因 子， 它 依 赖 于 入 射 波 前、 界 面的 形 状 和 入 射 点 到 界面的 距离. 扩散因子并不依赖于入射波的 极化方向。 硕士论文 介质球透镜多波束天线研究 2. 4 透镜天线系统中效率的定义 图2 . 4 是一个典型的集成透镜天线系统， 为了评价集成透镜天线系统的性能， 下 面介绍几个典型天线特性参数。集成透镜天线系统的方向系数定义如下 : d ，= 4 叨max 瑞 ( 2 . 4 . 1 ) u .是 最 大 辐 射强 度， 与 是 由 某 一 辐 射 分 布 所 提供 的 全 部 功 率 天线效率定义如下: 、 = 金 t p. ( 2 . 4 . 2 ) 矛 、 馈 瘾 芙 组( 尸 油 ) 图2 ， 4典型集成透镜天线系统 其中d .是物理口径( 圆形) 面积为 a的天线所能达到的最大方向系数。 4 汀， 刀 左 滩 2 4 军 一=- ， 二刁 戈 ( 2 . 4 . 3 ) 勺-弋 汀- 刀 = 其中d是 透 镜天 线圆 形口 径的 直 径，凡是自 由 空 间 的 波长， 系 统 效率 可以 被分 解为 以下三项; 峥 加= 冲 ， n，.从 ( 2 . 4 . 4 ) 1 . 亿 是 溢出 效 率 ， 它 是 表 征 某 一 辐 射 分 布 所 辐 射 的 能 量 有多 少 进 入 透 镜 系 统 的 效率。 用于照射透镜的初级天线的波束宽 度越窄， 则未能照射到透镜范围的能量就越 少， 相应的溢出 效率就越高; 同理在相同 透镜大小情况下， 次级天线离透镜越近则照 射到透镜上的能量就越多，滋出 效率就越高. 硕士论文介质球透镜多 波束天线研究 凡 仇 =下一 = 才 袖 j j u 归 ，沪 ) s in 夕 d 口 d 护 门 鱼_ 丁 仲氏 沟 sin odgd 沪 ( 2 . 4 . 5 ) 2 . 瓜是 传 输 效 率。 其中凡和凡透 镜 外表 面5 上 的电 场 和 磁 场。 这一效 率 所 代 表的能量损失是由于透镜与空气分界面处的反射和折射所引起的. 反射和折射能量损 失的多少与入射波的极化方式、 介质透镜的材料、形状以及电磁波入射的角度有关。 尺 刀 护=二一 几 ffi叫凡 二 助沁 镇箭 一 一一目 1 j u(o，沟 sin gd 6d4 ( 2 . 4 . 6 ) 3 .从 是 收 缩效率， 它的 物理 意 义 从公 式 上 看并 不 太明 显. 这 部分 效 率 所代 表的 能量损失是由于天线物理口 径上电 场和磁场幅度和相位分布的不均匀造成的， 由于这 一原因导致天线的有效口径面积比 实际的物理口径面积要小，所以称之为收缩效率。 同相分布时均匀照射能产生的效率最高. 挤 =4 ， 端1 凡 =4 u 。 j ( ” d j 凡 ) ， 卿 “ ) 贝 叼 凡 冷 沁 ( 2 . 4 . 7 ) 此处效率的定义只是表示透镜部分的效率， 并没有考虑馈源天线的效率， 计算实 际整个天线系统的效率时， 应该再乘上馈源天线自 身效率一项， 即要考虑馈源天线自 身的欧姆损耗、反射损耗等因素。 2. 5 本章小结 本章围 绕介质透镜模型展开， 首先介绍了 射线追踪法及其依据的基本光学原理， 然后 用射线追踪法推导出一般介质透镜的普遍模型。 重点 分析了 模型中 振幅扩散系数 的概 念及其公式。在此基础上， 为了 判断系统的聚焦特性， 对各种效率进行了 定义。 为以 后单介质球透镜的分析和优化奠定了 理论基础。 硕士论文介质球透镜多 波束天线研究， 3 馈源天线 3.， 馈源天线的选择 透镜天线所使用的馈源天线基本上可以 分为 波导馈源、 同轴馈源和印制电路馈源 三种方式。 这三种馈电 方式都有各自 的 优缺点， 具体项目 应按实际的 要求合理选择馈 电 方式。 其中波导馈源技术成熟， 易于与透镜组合， 但其体积和重量过大且不易弯曲， 限制了 它的应用: 同轴馈源因为其在毫米波段巨大的能量损耗也很少被采用; 印制电 路馈源则易于与微波集成电路连接且损耗较小， 并且很容易组成阵列， 所以应用较为 广泛。 平面印制天线对于低成本的通信系统是极为重要的， 一般是在介质基片上做成微 带、 半波振子、 缝隙等形式。 然而这些天线都是边射的， 出射方向跟印制电路板垂直， 如果与介质球透镜组合产生多波束， 不仅不能将多个馈源天线集成在一个平面上， 而 且一边的印刷板将影响另一边波束的出 射， 所以 必须使用端射天线。 现今最广泛应用 的 平面端射天线是t s a( 烟 阵 d s lot a n t 。 业 . ) 天线， 但是这种天线交叉极化电 平很高 且占 用很大空间。如s c h o euli rineretai介绍了 一种组成宽扫描角雷达阵列的t sa馈源 天线，这些馈源照射一个球透镜天线，工作频率 7 7 g hz， 实际表明， 应用这种平面集 成天线可以 得到高增益， 此时tsa 天线有5 个波长的宽度， 但是本系统的工作频率为 1 4ghz，应用这种天线显然占据过大空间。空间大一方面不利于实现小型化，另一方 面会造成馈源之间距离变小， 致使祸合变大。一个可能的途径就是用平面八木天线来 代替tsa 天线。 3. 2 八木天线的理论 八木天线是1 9 2 7 年左右提出 来的， 又称为引向天线、 波渠天线. 它由 一根有源 振子和多 根无源振子组成， 有源振子可以 是半 波单振子， 也可以是折合振子。 不过一 般常 用折合振子， 以 提高 八木天线的 输出阻抗， 便于与馈线匹配。 无源振子是若干 孤 立的 金属杆， 它与馈线及有源振子不直接连接。 有源振子被馈电后向 空间辐射电 磁波， 使无源振子中 产生感应电 流也产生辐射。 当改 变无源振子的长度和及其与有源振子之 间的 距离时， 无源振子上的感应电 流的幅度及相位也随之变化， 可以 影响有源振子的 方向图。 若有源振子与无源振子之间的距离小于四 分之一波长， 无源振子比有源振子 短时， 整个电 磁波能量将在无源振子方向 增强， 反之， 则在无源振子方向 减弱。 具有 前者作用的无源振子称为引向器，具有后者作用的无源振子称为反射器。 八木天线的反射振子通常只有一个，因为多加反射器对提高天线的增益收效甚 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 微。 而引向 器可以 有许多 个， 每根长度都要比 其相邻的并靠近有源振子的那根略短一 点。 引向 振子越多， 方向 越尖锐、 增益越高， 但实际上到一定程度之后其效果就不再 明显. 八木天线的优点是结构简单， 馈电方便， 重量轻， 便于转动; 缺点是调整匹配 困 难， 频 带 较 窄l.j . 3. 3 平面八木天线的仿真设计 八木天线的尺寸如单元数目 ， 长度及它们之间的距离等， 是根据增益， 半功率波 束宽度， 前后辐射比及带宽确定的。 这些尺寸对八木天线性能都有影响， 而且各项指 标对八木天线尺寸的取值要求往往又是相矛 盾的， 所以 在设计八木天线时， 就需要在 各项要求中寻求折衷。 由于严格的理论计算的复杂性， 一般八木天线设计是利用近似 公式，曲 线图表和经验数据进行初步选取， 然后通过实验调整，再最后确定。 根据经验，八木天线反射器长度通常取稍微小于半波长 (0 . 4 又 一0 . 5 又 ) ， . 有源 振子取0 . 47之 左右， 引向 器长度有两 种取法， 一种是让所有引向 器长度相等， 一般取 0 . 43几 左右， 其优点是频带内 增益均匀， 缺点是工作频带窄. 另一种方法是随着引向 器的向前排列， 而逐渐变短。 也就是说， 第一根引向器最长， 然后按1 %2 %的比例 依次变短， 这种方法复杂， 但具有工作频带宽， 高频性能好的优点， 反射器与有源振 子之间的间距一般取(0 . 巧兄 一0 . 23兄 )。引向 器的间距选取也有两种方法一是按等 间距的原则选取，即引向 器到引向 器的间距相等，一般取(0. 巧元一 0 . 27瘫 )。但第 一根引向 器到有源振子之间的间距d ， 要取得小一些， 一般取(0 . 1 几 一 0 . 15尾 )，引 向器的间距取得大，则增益高， 方向图尖锐。另一种方法是采取不等间距的原则。 本小节设计了一种工作于1 叨hz的平面八木天线馈源，结构如图3 . 1 所示，由 一个反射振子和两个引向 振子组成， 其反 射振子位于介质板的反面， 而馈源和引向 器 位于 介质板的正面前端。介质板厚度0 . 25翻 画 ， 半波振子长8 . 8 恤， 反射振子和两条引 向振子的长度各为9 . 6 咖、7 . 9 咖、7 . g nlm。 用微带到共面波导转换的巴 仑对这个天线进行馈电，该转换结构的设计是基于 deai etai的 研究工作，通过将微带线分割成两条微带线， 其中的一条弯曲 折亚以引 入 一个18 00的相移， 它可以 沿着连接半波振子的连线激起准t 阴模. 折盛线之间的空隙 s m会影响 输入阻抗， 因为两条线之间 存在互藕. 另外为了 与外接的50q的阻抗匹配， 还加进了一段四分之一波长的阻抗变换器。 该转换不会与反射振子之间发生祸合， 微 带到 波导转换时切断的地平面也不会对 辐射方向图产生多少影响。 用h pss 建立该天线的模型并进行了 仿真， 其远场方向图如图3 . 3 所示。 e 面和h 半 功 率 主 瓣宽 度 各为7 80 和8 50: 其从 . 参 数 如图3 . 2 所示， 一 1 o db带 宽 为40 0 翩2. 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 对球透镜的射线追踪 馈源函数 为了 研究球形透镜天线系统效率变化与 馈源的关系。 一般会选择一种函数来模拟 实际所用馈源的特性， 这样可以统一的加以比较， 但是此时应该使得所选函数尽量的 跟实际所用馈源的特性相符。 这里选用一种通用类型馈源，它的增益刊定义为: g ( 0 )_ 丁 2 (m + ” co “ “ t0 0夕万/ 2 才1 2口性军 ( 4 . 1 ) 馈源的辐射强度定义为: ， : ， ，与 。 ， ， u 飞 t7)= 、 j 、 口少 4万 ( 4 .2) 几 是 辐射功率，电 场幅 度可写为: e - 选 择气 = 2 才 / ， ， 2 叮 u 伪 =。 孕g 伪 名万 ( 43 ) 上式可简化为: e= 褥面 ( 44 ) 假定馈源是y 极化，则入射场可表示为: e 一 砚 1: ( 4 . 5 ) 式 垂直于r 且平行于， 和y 构成的 平面 砚= ( r x y ) x rl s i n 甲= 沙 一 co s 甲r ) l s in 甲 ( 4 . 6 ) 甲是， 和y 的夹角，电场成分可写为: 凡 = (或 枷， c o 5 口s i n 由 = 而 又 奋 不 石 而寸 2 ( m + 1 ) c o s . 1 2 夕( 4 一 7 ) 凡= (;，问 川 c o s 巾 沂 几 砰 不 石 而廿 2 ( ， + 1 ) co s ， l e ( 4 . 8 ) 这类馈源的 一 10 db 波瓣宽 度与m关系如图4. 2 所示，方向 性与m的关系如图4. 3 所示: 硕士论文介质球透镜多波束夭线研究 681 01 21 41 61 82 0 m r、上2 eo6o4o印8506040 兮”侧似旅泪哥俘升 图4 . 2一10d b 波瓣宽度跟. 的关系 1 8 1 b 1 4 1 2 / 1 0 sp积厄长婿级 l一二一 一 占 一 一- - -活 一一 - 一一 曰 匕一- - 一 儿 ， - - - - 山 一 - 一 一 - - 一 二- 0246已1 01 21 41 61 台 m 2o 图4 . 3馈源方向性跟口 的关系 i 9 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 4 j .2 理论计算 图4 .4 远场方向图计算的示惫图 计算远场辐射图的理论方法与前面射线追踪法类似，问 题的几何形状如图 4 . 4 所示。 为了 解决射 线追踪问 题， 输入角氏 可 定义为: 。 个sin 一 (击) ( 4 . 9 ) 其它角可表示为 风 一 一 黯， 代 = 乓 一 氏 么 = sin 一 产 二 )6=姚一 氏 ( 4 . 1 0 ) 透镜外表面q 点的垂直和平行极化成分可表示为: 几= 凡 三 竺 w)e 一，.dfl (q) ( 4 . 1 1 ) ， 一 九 气 e n = 凡升一 斗 ( p) e 一 灿刃 尸 几必 ri ( 4 . 1 2 ) 这 里兀 ， 几是 在 点p， q的 垂 直 和 平 行 菲 涅 尔 传 输 系 数 。 rl ， 几 分 别 是 点5 到p 的 距 离和p 点到q点的 距离。 。 = 丽= r 丝 旦 且 . ， 。 = 两= zr cos氏 s ines一 ( 4 . 1 3 ) 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 df 是扩散因子，可由 下式计算: df= ， 二一一 一 工 一一 寸 1 + 几i r . 寸 1 + rzi r z ( 4 . 1 4 ) 丑 : = n co s z 氏 ( cos z 认 弓 二 三 旦 竺 鱼 二 竺 兰 鱼 ) 、 r ( 4 . 1 5 ) r z = 阵一 鲤终尹丛 ) 一 nrl矛 乙 氏 ( 41 6 ) 透镜外表面电场为 透镜外表面磁场为 e = 凡t ， + 凡。 刁 万=n， x e ( 4 . 1 7 ) ( 4 . 1 8 ) 等效电 ( 磁)流密度可写为: 材= 人祖 = 一 凡o-co s 风 凡。 对= 一 rxe = 凡0 一 cos 拭 凡巾 ( 4 . 1 9 ) ( 4 .2 0 ) 则远场的横电场: 凡 兰 一(l。 + 城 ) ( 4 . 2 1 ) 毕+ 影(le + 、 ( 4 . 2 2 ) 这 里n=小“场 “= 加 厂 “ ”(4.23) 系 统 方 向 性 由 下 式 计 算 : 气 = 4 柑/ 与(4 24) 相 应 的 系 统 效 率 定 义 为 : 殊二 气 l( 2 欢1 人 ) ，(4 .2 5) 系 统 效 率 可 分 为 : 际= 冲 刃 ，n， 杭 是 滋 出 效 率 ， 是 通 过 球 形 透 镜 的 传 输 效 率 ， 挤是透镜表面的收缩效率. 冲 ， 二 凡/ 君 侧 聪= 凡1 凡 4 欣了 _ _ _ / p_ 从二 甲 二 尸 艺:升厂六， (2威/ 人) 乙 ( 4 .26 ) ( 4 . 2 7 ) ( 4 . 2 8 ) 完成以 上的分析， 就可以 根 据系统辐射效率来确定 馈源天线的最佳位置， 进一步 优化透镜天线系统。 硕士论文介质球透镜多波束天线研究 枯j 馈源相位中心和透镜距离的影响 图 4 . 6 描 述 了 仿 真 所 得 的 tenon透 镜 系 统 效 率 及 其 按 照 殊二 叭 从 分 解 后 的 各 项效率随d/r 的变化。为了比 较，列出了三种馈源的方向图下5 、9 、16，对应的主 瓣宽度为1 0 0 0 、5 0 。 、60。 。 由 图4 ， 6( b ) 可以 看出，随着d 爪的比 值逐渐增大，即 馈源天线距离透镜越来 越远时， 溢出效率逐渐减小， 且波瓣宽 度越大， 溢出 效率降低的 越快。 这是可以 理解 的， 因为溢出效率是指馈源辐射的被球透镜截获的比例， 当 馈源距离透镜越远， 这个 比 例就越低。 对于波瓣宽度为60。 的馈源， d j r = 众 7 时滋出效率仍然在90%以上， 而 波瓣宽 度为10 00的馈源，它的 溢出 效率却迅速降 低， 在d/r=0 ， 63时， 滋出 效率已 经 迅速降为70%。所以一般来说主瓣宽度超过1 0 00的天线不适合作为球透镜系统的馈 源天线。 由图4 . 6 ( c)可以看出，对于三种不同波瓣宽度的馈源，收缩效率都在山 r 月.4 附近达到最大。而对于一个固定的山 叹 ， 即离透镜的距离一定时，当增加馈源波瓣宽 度时， 透镜的收缩效率会有一定的改普。 按照第二章的描述， 这部分效率所代表的能 量损失是由于天线物理口 径上电 场和磁场幅度和相位分布的不均匀造成的， 由于这一 原因导致天线的有效口 径面积比实际的物理口 径面积要小， 所以 称之为收缩效率。 同 相分布时均匀照射能产生的效率最高。 所以当山 r 司.4时透镜表面的相位分布最为均 匀。 由图4 . 6 ( d)可以 看出， 对于di r处于0 .0 0 7 时，传输效率维持在一个比 较好 的 水平， 始终处于90%以 上。这表明透镜与空气分界面处的反射和折射所引起的能 量损失 很小，因此， 在透镜表面不需要加吸收反射的涂层。 图4 ， 6 ( a)是综合以上所有因素后得出的总效率变化规律。 影响系统效率的三项 中， 传输效率基本保持不变， 随着的d /r的逐渐增大， 滋出 效率单调减小， 收缩效率 先增大 后减小。 所以 必然存在一个使得系统效率达到极大值的点. 系统总的效率是先 增大后减小。 另外， 比 较三个馈源的曲 线发现， 在d j r取值较小时， 馈源波束宽 度对 天线系 统效率的影响较小， 各种波束宽度下的效率差别不大。 这是因为此时透镜离馈 源天 线较近， 馈源天线辐射的 大部分能量均能 照射在透镜范围内， 所以 馈源天线波束 宽度对效率影响不大; 随着d / r 值的增大， 透镜离馈源天线越来越远， 此时溢出效率 的 差别开始显现，正如图( a)的后半 段曲 线所示; 对于一个固定的 波束宽度，都 有一 个 最 佳的d /r值使 得系统 效率 达到 最 大， 这个最 佳d j r 落在0 . 3 兄 0 . 4 又 之间， 此时 对应于波瓣宽度1 0 00、8 00、600 的系统效率分别为51%、 54%、 52%.图4 . 6 全面 描 述了t e f l o n 球形透镜天线的 各项效率与d 瓜的 关系。得出的结论具有普遍性. 在 分析 其他各项参数对效率的影响时 将只考虑对系统效率的 影响， 而不再分解列出。 23 硕士论文介质球透镜多 波束夭线研究 r 勺 七明 即油 .如 . 、 j厂 乒 矛 肠 也七山多笼. 寸 .寸 汀 司 挤r山.1. 以 仙 盯 舫 肚 0帅 目 2 d n l es es - es es es es - - 一一 -扣卜-吮 一 q氏10 二. 吐 4认50 月0 了口 刀”从1 山自 a) 系统效率 白扫心叫 孙恤.匕 . 向 滋出 效率 日 可 . “ 岭 劫 . 如 . 自. 口甘山亡皿.t烤. 二 : : 万污芡燕泞蒸 沼/ 弩 二 一 一 (c )收缩效率( d )传输效率 图4 . 6 透镜天线系统效率 及其分解 图4 . 7 和图4 . 8 分别描述tt e f l o n 透镜 ( n 二 2 . 0 8 ) d l r分别为0 . 4 、0 . 5 、 0 . 6 时的远场方向图及其远场相位分布，此时所用馈源的主瓣宽度为60。 。可以看出 山 叹 闭.5是一个转折点，此时聚焦特性最好。 按照球形透镜近轴焦距公式得此时焦距 为。 6 3 ， 所以当天线系统达到最好的聚焦特性时的距离d 要小于透镜的近轴焦距。 我 们将这个使透镜达到最好聚焦特性的位置点称为 辐射极限位置， 此时透镜系统的 远场 零点和副瓣电 平达到最小， 对应着最平坦得相位分布如图4. 8 所示。 当 馈源主瓣变为 8 00和1 000 时， 也有相同的结论。 所以寻找这个位置的一 个传统方法就是看远场的 副 瓣电 平是否达到最小.实际上， 懊