一種超寬帶多波束喇叭發射天線陣

摘" 要：為滿足便攜式大功率、寬容量多波束干擾系統的使用需求，設計了一種超寬帶寬角覆蓋的多波束喇叭發射天線陣?；谖otman透鏡的波束網絡特性，發射天線陣采用弧形開口扇形脊喇叭天線結構，在6～18 GHz的工作頻率范圍內實現16波束輸出，具備優異的波束指向性。俯仰面波束寬度為40°～70°，方位面實現±45°空域覆蓋，擁有超寬角的波束覆蓋能力。天線陣的有源駐波比小于3.0，能夠承受大功率輸出。同時，多波束喇叭發射天線陣結構設計緊湊，便于使用和安裝。

關鍵詞：多波束；Roatmn透鏡；發射天線陣；寬角覆蓋

中圖分類號：TN821 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）04-0001-06

An Ultra-wideband Multi-beam Horn Transmitting Antenna Array

SHENG Pengchi， SHI Zhixun， CHEN Hang

（Guilin Changhai Development Co.， Ltd.， Guilin" 541001， China）

Abstract： To meet the usage requirements of portable high-power， multi-beam jamming systems with large capacity， a multi-beam horn transmitting antenna array with ultra-wideband and wide-angle coverage is designed. Based on the beam network characteristics of the microstrip Rotman lens， the transmitting antenna array adopts the structure of an arc-shaped opening sectorial ridge horn antenna， achieving 16 beam outputs within the operating frequency range from 6 to 18 GHz and possessing excellent beam directivity. The elevation beam width is 40°～70°， and the azimuth realizes ±45° airspace coverage， having ultra-wide-angle beam coverage capability. The active standing wave ratio of the antenna array is less than 3.0， and it can withstand high power output. At the same time， the multi-beam horn transmitting antenna array structure is designed to be compact， facilitating usage and installation.

Keywords： multi-beam; Rotman lens; transmitting antenna array; wide-angle coverage

0" 引" 言

多波束天線是能夠在一個天線陣口徑上產生多個波束、且各個波束指向可以任意指定的天線，憑借其優勢廣泛應用在電子偵察、電子對抗及雷達等領域[1]。通常實現多波束功能主要有兩種技術體制[2-3]，第一種是相控陣體制，該體制實現的波束指向靈活，但設計難度大、結構布局復雜且集成成本較高；另一種是基于無源微波透鏡的技術體制，所產生的波束指向在透鏡設計完成之后不可改變，但由于具備頻帶寬、掃描范圍寬、可靠性高及成本低等特點而被廣泛應用在電子戰領域。

Rotman透鏡是一種能實現多個固定波束、寬角覆蓋的波束形成器[4]。當對Rotman透鏡不同波束端口進行激勵時，對應的陣列端口產生不同線性相位差，不同的相位差經過輻射元過后在空間形成不同方向的波前，從而在空間形成不同指向的波束。由于Rotman透鏡的真時延特性，因此具備極寬的工作帶寬，所產生的各個指向波束與頻率無關、各個波束具備全天線陣口徑增益等優點。為了實現有源發射體制，可在Rotman透鏡與發射天線陣鏈路之中采用發射組件，并采用全金屬喇叭天線提高了天線陣的耐功率要求。

為發揮微帶Rotman透鏡的多波束、寬頻帶特性[5]，且整體結構要求便攜且緊湊，設計了一種超寬帶寬角覆蓋多波束發射天線陣。發射天線陣由弧形開口扇形脊喇叭天線組成一維直線陣，波束形成器由基于微帶形式的Rotman透鏡和穩相電纜組件實現，通過仿真和實測驗證了其性能。通過在發射天線陣和Rotman透鏡之間配置功放組件，即可實現發射天線陣多波束大功率輸出。

1" 設計原理

超寬帶多波束喇叭發射天線陣由發射天線陣和微帶Rotman透鏡兩部分組成。發射天線陣由16單元帶極化罩雙脊喇叭天線組成一維均勻直線陣，通過控制每一單元饋電端口的幅度和相位可以實現特定方向的波束形成，陣元的波束寬度在波束合成面方向越寬，其在波束掃描時不同波束指向的增益變化越小，因此選擇寬波束單元天線是進行陣列天線合成的前提。若有一個由N個天線單元組成的一維直線均勻天線陣，相鄰天線單元間距為d，天線陣波束指向與單元間距滿足公式d = λ/（1+∣sinθm∣）（λ為波長，θm為最大波束指向）[6]，即陣元間距越大，天線陣的最大掃描角就越小。由于發射天線陣工作頻率范圍為6～18 GHz，波束最大指向為±45°，單元間距選取過大會導致天線陣在電掃時出現除副瓣以外的柵瓣，降低天線陣增益和輻射效率；選取過小雖然能拓寬波束掃描覆蓋范圍，但陣元耦合更加強烈[7]，提高了天線陣有源駐波優化難度；根據上式計算后綜合考慮天線陣元間距選取9.3 mm，既保證了超寬的波束覆蓋范圍也降低了天線陣優化難度。

微帶型Rotman透鏡主要由焦點圓?。úㄊ喞?、透鏡腔體和內輪廓線（陣列輪廓）組成，通過幾何光學分析介紹工作原理[8-9]。圖1中，G0、F1和F2分別是透鏡的正焦點、偏焦點1和偏焦點2，且這三個焦點都分布在以半徑為R的焦點圓弧上，在此輪廓上，各焦點到陣列輪廓的一個端口都會形成一個固定的光程差，通過光程差實現了相位差。G是正軸焦距，F是偏軸焦點的焦距，α為焦角，N是發射天線陣口徑的一半，當確定以上設計參數和透鏡基板材料，通過透鏡設計方程確定陣列輪廓，同時陣列輪廓與天線陣輪廓線的延遲線長度也隨之確定。

透鏡腔體內以TEM模電磁波進行傳輸[10]，而微帶線中傳輸的是準TEM模，會導致電磁波在這兩類導波結構中傳輸的傳播常數不一樣，但是傳輸常數對頻率變化的斜率基本一致，因此要對這兩者的等效介電常數加以區分，及透鏡腔體部分的等效介電常數和介質基板一致均為，在微帶延遲線區域的等效介電常數為。因此透鏡的路徑約束方程為：

（1）

（2）

（3）

幾何約束方程為：

（4）

（5）

（6）

按下式進行歸一化：

，，" " " " " " （7）

，，" "（8）

根據以上約束方程，可計算出透鏡陣列輪廓和延遲線，整理后可得：

（9）

（10）

（11）

其中：

（12）

（13）

（14）

通過確定焦角α、掃描角φ及焦距比g，然后利用上式求出在不同η時的w值，以及x和y的值，從而求得輪廓線和延遲線歸一化結果，最后根據設計需求，計算出用于歸一化的偏焦距F即可得到的實際可用的輪廓線和延遲線

（15）

式中，Nmax為天線陣口徑長度的一半，Ne為天線陣陣元數。

基于上述設計方程和推導過程，我們將透鏡輪廓的設計過程總結為三個步驟：

1）確定多波束天線陣的工作頻率范圍，選取波束掃描相關的參數：焦角α，掃描角φ及正焦距和偏焦距的比值g，一般情況下將焦角和掃描角度設置成一樣。

2）利用幾何光學法求得Rotman透鏡對焦距的歸一化輪廓尺寸。

3）根據天線陣的口徑、單元數目及單元間隔，計算焦距的最小值F，即可獲得Rotman透鏡腔體輪廓的實際尺寸。

2" 模型設計

模型設計亦是分成兩部分。發射天線陣設計模型如圖2所示，發射天線陣由極化器和天線陣列組成。極化器將發射天線陣的極化方式由水平極化轉變為45°線極化，提高了發射天線陣的極化適應性，并能減小天線陣尺寸。極化器由4層微帶極化柵條組成，將金屬柵條印制在很薄的高頻基板上，極化柵條的寬度、厚度和間距須遠小于工作波長，并按照一定的周期性排列形成一個柵格結構。每層極化柵條偏轉角度由小逐漸向大變化，逐漸實現天線陣極化方式的轉換。

發射天線陣列由16單元扇形脊喇叭天線組成一維直線陣，脊喇叭天線具備波束穩定易于加工等特點，采用扇形脊設計提高了發射天線陣的工作帶寬，并具有一定的恒波束效果。根據陣列天線掃描公式d = λ/（1+∣sinθm∣），計算單元間距為d＜9.7 mm，仿真設計選取單元間距9.3 mm，保證了發射天線陣在掃描±45°時未出現柵瓣。為了使發射天線陣結構緊湊且小型化，俯仰方向上的天線尺寸不到最低工作頻點波長的1/2，提高了多波束發射天線陣對空的覆蓋能力。但較小的俯仰尺寸，同時天線陣陣深度尺寸又小，導致在天線單元口面的電流極強，單元間相互耦合強烈，發射天線陣有源駐波偏高。為了改善這種現象，將單元天線的俯仰方向進行圓弧處理，在不改變整體尺寸的前提下相應了拓寬了俯仰面口面電尺寸，單元天線的等相位面更大，降低了單元間相互耦合效果，從而改善發射天線陣有源駐波?？紤]發射天線陣與Rotman透鏡射頻連接的便捷性，對同軸-雙脊波導進行改進，由側饋改進成后饋饋電形式。

微帶Rotman透鏡設計模型如圖3所示，選用Rorgers4003作為基板材料，介電常數為3.5，基板厚度為0.762 mm，偏軸焦距F和正軸焦距G分別為216 mm和220 mm，最大波束覆蓋范圍為±45°，天線陣單元數為16，波束端口為12，陣元間距為9.3 mm，根據以上設計參數并借助MATLAB確定Rotman透鏡的波束輪廓和陣列輪廓，之后在這兩條輪廓上設計出波束端口和陣列端口。在完成波束端口和陣列端口設計之后，由于整個透鏡還不是一個閉合微帶腔體，當某一輸入端口饋電時，大部分能量耦合到輸出端口，但透鏡腔體內部仍存在多次反射，因此要在透鏡腔體的側壁吸收多余的能量，改善透鏡腔體中的反射波的影響，從而改善波束指向性[8]。

從圖3中可以看到，波束輪廓上設計了12個波束端口，陣列輪廓設計了16個陣列端口，其余端口均為吸收端口，吸收端口主要吸收透鏡腔體內部多余的能量，所有端口外形設計為三角漸變形狀，具有阻抗變換的作用。將經過3個焦點的波束輪廓外形由圓弧優化成橢圓弧，使橢圓弧上的任一點R到達另一端陣列各端口的相位誤差最小，從而獲得波動較小的相位差值 。同時透鏡尺寸不能設計過大，過大的尺寸會引起較大的插入損耗；而較小的尺寸會產生較大的幅度波動和相位差。

3" 測試分析

發射天線陣和Rotman透鏡實物連接如圖4所示，發射天線陣射頻輸入由后饋實現，其中極化器放置在白色泡沫內部，并固定于天線陣口面，每層極化柵條也由白色泡沫分隔開。Rotman透鏡除波束端口和陣列端口外，其他所有端口與吸收負載連接。并將Rotman透鏡的陣列端口依次連接到發射天線陣射頻端口，為降低外接電纜引起較大的相位波動從而影響波束指向性，所有連接電纜具備幅相一致性。通過實物測試，發射天線陣3°波束指向和45°波束指向時陣元的有源駐波比分別如圖5和圖6所示。俯仰面在不同頻點下的覆蓋方向圖測試結果如圖7所示，方位面16波束覆蓋圖方向圖測試結果圖8～圖10所示。

從陣元的有源駐波比實測圖得出，多波束發射天線陣有源駐波比最大值為2.85，表明天線陣互耦影響較小，提高了輻射效率，能夠適用有源放大輸出。俯仰面具備較寬的波束寬度，為40°～70°，能夠實現更大的對空覆蓋能力。從各頻點的16波束覆蓋圖得出，各波束指向性較好、波束指向間隔均勻，方向圖未出現形變，高頻柵瓣小，且各頻點均覆蓋±45°，具備了超寬角覆蓋能力。中間波束與邊緣波束差值在6 GHz時約為2 dB，18 GHz時約為5 dB，具備較好的波束增益特性。

4" 結" 論

基于Rotman透鏡的波束形成原理，設計了一種工作在6～18 GHz的多波束發射天線陣。天線陣結構設計緊湊，極化適應性強，通過與波束形成網絡連接，實現方位面16波束輸出，波束方位面最大覆蓋為±45°。同時具有良好的有源駐波特性，能夠實現大功率容量。該多波束發射天線陣適用于雷達等領域的多波束干擾系統，而基于Rotman透鏡的二維多波束發射/接收天線陣將是未來電子干擾、電子偵察等領域重要研究方向。

參考文獻：

[1] 周林.基于Rotman透鏡多波束天線的分析與設計 [D].成都：電子科技大學，2016.

[2] 梁秋艷.多波束天線的關鍵技術研究 [D].西安：西安電子科技大學，2022.

[3] 黃明.多波束透鏡天線理論與應用技術研究 [D].成都：電子科技大學，2013.

[4] 李大超，梁洪燦，翁永祥.基于Rotman透鏡的多波束天線陣設計方法 [J].艦船電子對抗，2022，45（2）： 99-103.

[5] 林昌祿.天線工程手冊 [M].北京：電子工業出版社，2002.

[6] 王建，鄭一農，何子遠. 陣列天線理論與工程應用 [M].北京：電子工業出版社，2015.

[7] 劉劉燚.基于Rotman透鏡的多波束天線研究 [D].長沙：國防科技大學，2018.

[8] 黃海鋒，孫書良，王旭亮.基于Rotman透鏡天線的多波束技術研究 [J].電子技術與軟件工程，2013（3）：42-45.

[9] 羅旭.羅特曼透鏡獨立設計參數探討 [J].電子信息對抗技術，2009，24（3）：62-65+73.

[10] 劉熠志.微帶Rotman透鏡的分析與改進設計 [J].電訊技術，2012，52（10）：1652-1656.

作者簡介：盛朋馳（1990—），男，漢族，安徽銅陵人，工程師，碩士研究生，研究方向：多波束天線系統、相控陣天線。

收稿日期：2024-09-23