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龙伯透镜波束形成技术优化方案

更新时间:2025-01-11 工作计划 版权反馈
【摘要】:由Bootlace 透镜的波束形成器,其阵列也可以是曲线阵列,这有利于拓宽它的波束扫描范围,但中心波束与边缘波束存在自然的电平差。用传统制造工艺和新的思路相结合研制的龙伯透镜可以实现波束均衡。图8.21龙伯透镜示意图1—波束口喇叭;2—龙伯透镜;3—透镜聚焦后的平面波。在此研制的龙伯透镜多波束天线,其工作原理和传统龙伯透镜天线完全一样,不同之处只是形成渐变等效介电常数的方式。

由Bootlace 透镜的波束形成器,其阵列也可以是曲线阵列,这有利于拓宽它的波束扫描范围,但中心波束与边缘波束存在自然的电平差。为了进一步在宽扫描范围内使波束电平均衡,可以采用双Bootlace 透镜组合,但附加损耗增大。另一种办法是采用R-KR 透镜,它是半径为R 的圆形阵用一系列等长度线与半径为kR 的圆形透镜相连,其中k 为一常数。通常此透镜并没有理想的焦点。但由于圆的对称性,所有馈电点相同的相位误差可以通过适当选择k 而达到最小。通常在透镜中心连接阵列与透镜端口的张角不相同。然而,当k≈1.9 时,达到了圆的对称性,得出了直径大约为阵列直径两倍的透镜。在这种情况下,阵列与透镜不能共面,但是,如果透镜用高介电常数材料构成,这样它的尺寸可减小,能安装在阵列中间,以形成一个共面装置。用传统制造工艺和新的思路相结合研制的龙伯透镜可以实现波束均衡。

龙伯透镜为全聚焦型介质透镜天线,透镜一般为圆柱形结构。透镜利用波束射线的反射与折射原理进行工作,通过射线在介电常数平滑渐变介质中的连续折射,透镜将射线在适当的空间方位聚焦,使得当一馈源放置于圆周上时,从波束口喇叭辐射的球面波经透镜后变成平面波,从而获得测向所需高增益定向波束,如图8.21 所示。

图8.21 龙伯透镜示意图

1—波束口喇叭;2—龙伯透镜;3—透镜聚焦后的平面波。

众所周知,龙伯透镜以非金属介质材料为基材加工而成,并且要求介质材料的介电常数是渐变的,透镜边缘的相对介电常数为1,中心位置的相对介电常数为一常数,即满足下式 (由射线方程推出):

式中,k 为透镜半径R 和透镜的聚焦半径R′的比例系数,k 的取值可以大于或者小于1。当k <1 时,聚焦圆半径R′大于透镜半径;k=1 是一种特例,此时介电常数是平滑渐变的,其边缘相对介电常数为1,中心位置为2。要实现介电常数的渐变,在工程上有如下几种方法。

(1)用连续可变的介质,满足式 (8.82)变化规律。从材料的制造工艺来说,可将既有的相应设备通过发泡方式实现介质介电常数的渐变。但该方式需要昂贵的专用设备,加工成本很高,加工控制其均匀性很有难度,因此,其工程应用价值并不大。

(2)采用不同介电常数的介质材料层组合方式实现,每层介质有一定厚度,在该层内介电常数是恒定的,等效于用小间隔逼近连续。但该方式的缺点是各层介质之间的胶接介电常数太大,对透镜电气性能将造成严重的影响。采用层叠法形成的透镜,其介电常数是阶梯变化而非平滑渐变的,这同样会导致透镜电性能变坏。

(3)采用在透镜介质体中打孔的方式实现介电常数的变化,但这种方法也有明显的缺点:其一是介质介电常数是阶梯变化的;其二是打孔方式既麻烦,又不容易严格控制介电常数的取值。另外,对方位面形成波束而言,透镜变形成曲面板,以满足相位的均等,但它设计烦琐,加工定位要求高。在此基础上采用空气和介质,不同高度电场垂直极化时的等效介电常数不同,通过连续逼近龙伯透镜中的不同位置介电常数的变化来实现龙伯透镜。通过该方法获得的龙伯透镜,其介质介电常数平滑渐变,设计简洁,电气性能优良,加工方便。

在此研制的龙伯透镜多波束天线,其工作原理和传统龙伯透镜天线完全一样,不同之处只是形成渐变等效介电常数的方式。如图8.22 所示,透镜介质处于两金属板之间,由两种媒质组成,其一为介质材料,其二为空气,它们的分界面为特定曲面,可由相关公式进行设计。透镜介质的等效相对介电常数在1 和2 或者某一相对介电常数值之间连续变化,其计算公式为

图8.22 龙伯透镜剖面图

1—馈源天线;2—金属圆盘;3—空气;4—均匀介质;5—开口喇叭。(www.xing528.com)

式中 D——平行板间距;

   t——介质的高度;

   εr——介质的相对介电常数。

由式(8.82)和式(8.83),得

式中 r——距离透镜中心的间距。

由式(8.84)可以得出,在k 一定的情况下,r/R 与t/D 相对于固定的介质材料的相互变化关系,而R 由天线的波束数和波束宽度决定,D 由最高频率决定,并由下式计算,即

式中 2θ0.5——波束宽度;

   λmin——工作频带内最高频率对应的波长。

由此在平板之间得到介质随半径的变化高度曲线,将该曲线绕中心轴旋转360°,获得介电常数等效渐变的平面龙伯透镜。而透镜天线采用Vivaldi 印制天线馈电,每一天线元对应一个波束,天线按均匀间隔分布,其相位中心处于同一圆周上。在一般情况下,相位中心位于透镜圆周上,但也可以根据电性能需要做适当调整。天线元的极化垂直于金属板。由于透镜为轴对称全聚焦结构,因此,馈源指向即为透镜天线波束指向,均匀间隔的馈源获得均匀间隔的波束指向,且波束指向的频率色散很小。针对电气指标的要求,由方位覆盖角及波束数确定所需波束波瓣宽度,进而确定透镜口径尺寸。即金属圆盘的大小、透镜纵向尺寸(即两金属圆盘之间的间距),根据波束口馈源口径尺寸及式(8.85)而定。同时,还考虑透镜体积和质量。一般其由于纵向尺寸较小而带来的俯仰面宽波束空间匹配问题,可通过在辐射口面设计小型圆弧过渡张口段予以解决。16个波束覆盖90°方位角,波束间隔6°,形成多个波束。之所以选用Vivaldi 天线,是因为其为微波印制型结构,具有横向尺寸小、加工一致性好、工作频带宽、相位中心较稳定等优点。在工程设计中,精心设计天线阻抗匹配电路、槽缝渐变曲线及辐射口面,使其具有良好的阻抗匹配特性及辐射特性。由于馈源天线之间的距离较小,其间的互耦问题应引起高度重视。为了尽可能降低耦合带来的影响,除在天线设计及馈源布局方面采取适当措施之外,天线选用垂直极化形式也是必不可少的。Vivaldi 天线的相位中心处于同一圆周上,一般选择圆周处于透镜外边缘附近,但可做适当调整。在设计中留有适当调整的余地,使得在宽带范围内,尽量保持馈电元的相位中心在透镜聚焦弧上。在透镜天线的结构实现方面也有相当的难度,主要体现在两金属圆盘的支撑结构方面。因为金属圆盘之间有一部分为空气,通过适当加入圆形介质杆支撑,两者之间的透镜部分区域位置可以加工形成一定的泡沫实体进行结构加固。

实际研制中用的介质材料是聚苯乙烯,透镜半径为150 mm,天线口径纵向长度取得尽量短,以避免加入阵列口和辐射单元阵列引进的附加损耗,空域覆盖90° (方位面)×50° (俯仰面),极化形式为垂直线极化。典型方向图如图8.23 所示,这种龙伯透镜的多波束天线,以其结构相对简单、电气性能良好、全方位聚焦、波束均匀性好、无须阵元口及天线阵列、体积小、质量小等明显的优点在透镜天线中占有重要的位置。另外,通过将阵列中每个阵元接入一个宽带的环行器,可得到360°的紧凑型圆形阵列。

图8.23 典型方向图

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