低副瓣毫米波介质透镜天线伍扞东西安恒达微波技术开发公司1概述.doc

低副瓣毫米波介质透镜天线 伍捍东 （西安恒达微波技术开发公司） 1.概 述 在毫米波段，欲获得＜-25dB甚至-35dB的低副瓣天线是非常困难的，这是由于波长长度与天线制造误差，表面光洁度等相对接近，天线幅相分布的控制与测量也相对困难得多，边缘绕射，支撑构件的散射也使得天线的副瓣难以降低。小增益的mm波低副瓣天线可以用波纹喇叭天线来获得。大、中增益的mm波低副瓣天线可以通过控制阵面副一相分布的缝隙波导阵列天线来实现。显然，mm波阵列天线是十分昂贵的。而基于抛物反射面的天线则通过控制馈源的初级辐射方向图和边缘照射电子来实现低副瓣。然而，由于面天线中，馈源及副反射面支撑构件的影响，副瓣一般只在-17～22dB之间。 本文介绍采用介质透镜和圆锥喇叭或圆锥波纹喇叭构成的低副瓣mm波天线，在中等增益天线上获得了优于-25dB甚至-35dB的极低副瓣电平，且天线的工作带宽可达全波导带宽。 2.设计原理 透镜天线的种类很多，由于波长较短，为减少制造难度，金属透镜方案没有被采用。综合电性能、制造难度、体积重量和制造经费，对比分析后采用了平凸型介质透镜。这是由于： ①介质透镜是与频率无关的宽带结构； ②平凸型透镜的制造难度相对小； ③透镜所占空间相对小； ④材料坯料相对小。 透镜天线设计思想与抛物反射面天线很相近。在抛物反射面天线中，反射面将来自馈源的球面波收集反射后形成一个平面波。而透镜天线则是使通过透镜的球面波变为一平面波。 平凸透镜的平面与平面波平行，凸面的形状则根据球面波源的位置设计，以使发自该球面波源的波通过该透镜后的等相位面与透镜的平面平行。 图1 为平凸透镜的介质透镜天线原理图。在凸面，应用施耐尔（Snell）定律可以确定对应每个馈电角的斜率。同样，也可以应用费米（Fermat）原理去补偿从馈源通过透镜到达口经面的光学路经长度。 根据图1，有 （1） 这里已令μr＝1，εr＞1。 ρ（ψ）——为透镜凸面上一点到焦点的距离； f ——为透镜凸面顶点到焦点的距离。 显然（1）是双曲线方程，双曲线有一个渐近线，它限制了馈源辐射的角度。 （2） Ψa ——馈源辐射的极限角。当采用εr＝2.2的聚四氟乙烯材料时，Ψa＝47.6°。换句话说，透镜边缘对于馈源的张角受到限制，或说天线口经面被限定在两根渐近线内。与抛物反射面天线的情形一样，漏泄功率一般认为是损失在副瓣中。在喇叭的口经面上放置一个透镜，可以起到收集和消除泄漏的目的，进而降低了副瓣电平。 天线的口径D： D=2ρ。Sin（Ψ。） = （3） ψ。——为喇叭的张角。 天线的焦径比： 透镜天线的焦径比D/F为： D/2/F=tgψ。 （4） D/F=2tgψ。 （5） 限制条件是：ψ。＜ψa （6） 在兼顾到结构，性能的综合因素，D/F常选择在1:1以下。 3．实 例 已经设计的低副瓣透镜天线有如下几个型号（表1）： 表 1 型号 频率范围 Gain 型号 频率范围 Gain HD-100LHA25 8.2～12.4GHz 25dB HD-120LHA26 10.0～15.0GHz 26dB HD-140LHA27 12.4～18.0GHz 27dB HD-180LHA25 15.0～22.0GHz 25dB HD-180LHA28 15.0～22.0GHz 28dB HD-220LHA26 18～26.5GHz 26dB HD-220LHA28 18～26.5GHz 28dB HD-220LHA30 18～26.5GHz 30dB HD-260LHA27 22～33GHz 27dB HD-260LHA29 22～33GHz 29dB HD-260LHA31 22～33GHz 31dB HD-320LHA28 26.5～40GHz 28dB HD-320LHA32 26.5～40GHz 32dB HD-320LHA32 26.5～40GHz 32dB 图2是HD-320LHA32型天线的结构图。 图3示出了HD-320LHA32型天线在37.5GHz频率上的方向图，从图中可以看出：其在37.5GHz上，H面副瓣为-35dB, E面副瓣为-25dB,Gain（用比较法测量）为33.46dB，效率达到η＝54.14％。在其它频率上的电参数测量结果整理如表2所示。由于测试设备的限制，频率范围未能测得更宽。 表 2 Freq. (GHz) 副瓣电平（dB） 主办宽度（-3dB）（度） 增 益 （dB） η （％） E面 H面 E面 H面 37.5 -25 -35 3.2° 4.2° 33.46 54.14 36 --22.7 -39.8 3.4° 4.6° 32.56 47.55 35 -24.2 -35.7 3.4° 4.4°