摘" 要：为满足便携式大功率、宽容量多波束干扰系统的使用需求，设计了一种超宽带宽角覆盖的多波束喇叭发射天线阵。基于微带Rotman透镜的波束网络特性，发射天线阵采用弧形开口扇形脊喇叭天线结构，在6～18 GHz的工作频率范围内实现16波束输出，具备优异的波束指向性。俯仰面波束宽度为40°～70°，方位面实现±45°空域覆盖，拥有超宽角的波束覆盖能力。天线阵的有源驻波比小于3.0，能够承受大功率输出。同时，多波束喇叭发射天线阵结构设计紧凑，便于使用和安装。
关键词：多波束；Roatmn透镜；发射天线阵；宽角覆盖
中图分类号：TN821 文献标识码：A 文章编号：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
多波束天线是能够在一个天线阵口径上产生多个波束、且各个波束指向可以任意指定的天线，凭借其优势广泛应用在电子侦察、电子对抗及雷达等领域[1]。通常实现多波束功能主要有两种技术体制[2-3]，第一种是相控阵体制，该体制实现的波束指向灵活，但设计难度大、结构布局复杂且集成成本较高；另一种是基于无源微波透镜的技术体制，所产生的波束指向在透镜设计完成之后不可改变，但由于具备频带宽、扫描范围宽、可靠性高及成本低等特点而被广泛应用在电子战领域。
Rotman透镜是一种能实现多个固定波束、宽角覆盖的波束形成器[4]。当对Rotman透镜不同波束端口进行激励时，对应的阵列端口产生不同线性相位差，不同的相位差经过辐射元过后在空间形成不同方向的波前，从而在空间形成不同指向的波束。由于Rotman透镜的真时延特性，因此具备极宽的工作带宽，所产生的各个指向波束与频率无关、各个波束具备全天线阵口径增益等优点。为了实现有源发射体制，可在Rotman透镜与发射天线阵链路之中采用发射组件，并采用全金属喇叭天线提高了天线阵的耐功率要求。
为发挥微带Rotman透镜的多波束、宽频带特性[5]，且整体结构要求便携且紧凑，设计了一种超宽带宽角覆盖多波束发射天线阵。发射天线阵由弧形开口扇形脊喇叭天线组成一维直线阵，波束形成器由基于微带形式的Rotman透镜和稳相电缆组件实现，通过仿真和实测验证了其性能。通过在发射天线阵和Rotman透镜之间配置功放组件，即可实现发射天线阵多波束大功率输出。
1" 设计原理
超宽带多波束喇叭发射天线阵由发射天线阵和微带Rotman透镜两部分组成。发射天线阵由16单元带极化罩双脊喇叭天线组成一维均匀直线阵，通过控制每一单元馈电端口的幅度和相位可以实现特定方向的波束形成，阵元的波束宽度在波束合成面方向越宽，其在波束扫描时不同波束指向的增益变化越小，因此选择宽波束单元天线是进行阵列天线合成的前提。若有一个由N个天线单元组成的一维直线均匀天线阵，相邻天线单元间距为d，天线阵波束指向与单元间距满足公式d = λ/（1+∣sinθm∣）（λ为波长，θm为最大波束指向）[6]，即阵元间距越大，天线阵的最大扫描角就越小。由于发射天线阵工作频率范围为6～18 GHz，波束最大指向为±45°，单元间距选取过大会导致天线阵在电扫时出现除副瓣以外的栅瓣，降低天线阵增益和辐射效率；选取过小虽然能拓宽波束扫描覆盖范围，但阵元耦合更加强烈[7]，提高了天线阵有源驻波优化难度；根据上式计算后综合考虑天线阵元间距选取9.3 mm，既保证了超宽的波束覆盖范围也降低了天线阵优化难度。
微带型Rotman透镜主要由焦点圆弧（波束轮廓）、透镜腔体和内轮廓线（阵列轮廓）组成，通过几何光学分析介绍工作原理[8-9]。图1中，G0、F1和F2分别是透镜的正焦点、偏焦点1和偏焦点2，且这三个焦点都分布在以半径为R的焦点圆弧上，在此轮廓上，各焦点到阵列轮廓的一个端口都会形成一个固定的光程差，通过光程差实现了相位差。G是正轴焦距，F是偏轴焦点的焦距，α为焦角，N是发射天线阵口径的一半，当确定以上设计参数和透镜基板材料，通过透镜设计方程确定阵列轮廓，同时阵列轮廓与天线阵轮廓线的延迟线长度也随之确定。
透镜腔体内以TEM模电磁波进行传输[10]，而微带线中传输的是准TEM模，会导致电磁波在这两类导波结构中传输的传播常数不一样，但是传输常数对频率变化的斜率基本一致，因此要对这两者的等效介电常数加以区分，及透镜腔体部分的等效介电常数和介质基板一致均为，在微带延迟线区域的等效介电常数为。因此透镜的路径约束方程为：
（1）
（2）
（3）
几何约束方程为：
（4）
（5）
（6）
按下式进行归一化：
，，" " " " " " （7）
，，" "（8）
根据以上约束方程，可计算出透镜阵列轮廓和延迟线，整理后可得：
（9）
（10）
（11）
其中：
（12）
（13）
（14）
通过确定焦角α、扫描角φ及焦距比g，然后利用上式求出在不同η时的w值，以及x和y的值，从而求得轮廓线和延迟线归一化结果，最后根据设计需求，计算出用于归一化的偏焦距F即可得到的实际可用的轮廓线和延迟线
（15）
式中，Nmax为天线阵口径长度的一半，Ne为天线阵阵元数。
基于上述设计方程和推导过程，我们将透镜轮廓的设计过程总结为三个步骤：
1）确定多波束天线阵的工作频率范围，选取波束扫描相关的参数：焦角α，扫描角φ及正焦距和偏焦距的比值g，一般情况下将焦角和扫描角度设置成一样。
2）利用几何光学法求得Rotman透镜对焦距的归一化轮廓尺寸。
3）根据天线阵的口径、单元数目及单元间隔，计算焦距的最小值F，即可获得Rotman透镜腔体轮廓的实际尺寸。
2" 模型设计
模型设计亦是分成两部分。发射天线阵设计模型如图2所示，发射天线阵由极化器和天线阵列组成。极化器将发射天线阵的极化方式由水平极化转变为45°线极化，提高了发射天线阵的极化适应性，并能减小天线阵尺寸。极化器由4层微带极化栅条组成，将金属栅条印制在很薄的高频基板上，极化栅条的宽度、厚度和间距须远小于工作波长，并按照一定的周期性排列形成一个栅格结构。每层极化栅条偏转角度由小逐渐向大变化，逐渐实现天线阵极化方式的转换。
发射天线阵列由16单元扇形脊喇叭天线组成一维直线阵，脊喇叭天线具备波束稳定易于加工等特点，采用扇形脊设计提高了发射天线阵的工作带宽，并具有一定的恒波束效果。根据阵列天线扫描公式d = λ/（1+∣sinθm∣），计算单元间距为d＜9.7 mm，仿真设计选取单元间距9.3 mm，保证了发射天线阵在扫描±45°时未出现栅瓣。为了使发射天线阵结构紧凑且小型化，俯仰方向上的天线尺寸不到最低工作频点波长的1/2，提高了多波束发射天线阵对空的覆盖能力。但较小的俯仰尺寸，同时天线阵阵深度尺寸又小，导致在天线单元口面的电流极强，单元间相互耦合强烈，发射天线阵有源驻波偏高。为了改善这种现象，将单元天线的俯仰方向进行圆弧处理，在不改变整体尺寸的前提下相应了拓宽了俯仰面口面电尺寸，单元天线的等相位面更大，降低了单元间相互耦合效果，从而改善发射天线阵有源驻波。考虑发射天线阵与Rotman透镜射频连接的便捷性，对同轴-双脊波导进行改进，由侧馈改进成后馈馈电形式。
微带Rotman透镜设计模型如图3所示，选用Rorgers4003作为基板材料，介电常数为3.5，基板厚度为0.762 mm，偏轴焦距F和正轴焦距G分别为216 mm和220 mm，最大波束覆盖范围为±45°，天线阵单元数为16，波束端口为12，阵元间距为9.3 mm，根据以上设计参数并借助MATLAB确定Rotman透镜的波束轮廓和阵列轮廓，之后在这两条轮廓上设计出波束端口和阵列端口。在完成波束端口和阵列端口设计之后，由于整个透镜还不是一个闭合微带腔体，当某一输入端口馈电时，大部分能量耦合到输出端口，但透镜腔体内部仍存在多次反射，因此要在透镜腔体的侧壁吸收多余的能量，改善透镜腔体中的反射波的影响，从而改善波束指向性[8]。
从图3中可以看到，波束轮廓上设计了12个波束端口，阵列轮廓设计了16个阵列端口，其余端口均为吸收端口，吸收端口主要吸收透镜腔体内部多余的能量，所有端口外形设计为三角渐变形状，具有阻抗变换的作用。将经过3个焦点的波束轮廓外形由圆弧优化成椭圆弧，使椭圆弧上的任一点R到达另一端阵列各端口的相位误差最小，从而获得波动较小的相位差值 。同时透镜尺寸不能设计过大，过大的尺寸会引起较大的插入损耗；而较小的尺寸会产生较大的幅度波动和相位差。
3" 测试分析
发射天线阵和Rotman透镜实物连接如图4所示，发射天线阵射频输入由后馈实现，其中极化器放置在白色泡沫内部，并固定于天线阵口面，每层极化栅条也由白色泡沫分隔开。Rotman透镜除波束端口和阵列端口外，其他所有端口与吸收负载连接。并将Rotman透镜的阵列端口依次连接到发射天线阵射频端口，为降低外接电缆引起较大的相位波动从而影响波束指向性，所有连接电缆具备幅相一致性。通过实物测试，发射天线阵3°波束指向和45°波束指向时阵元的有源驻波比分别如图5和图6所示。俯仰面在不同频点下的覆盖方向图测试结果如图7所示，方位面16波束覆盖图方向图测试结果图8～图10所示。
从阵元的有源驻波比实测图得出，多波束发射天线阵有源驻波比最大值为2.85，表明天线阵互耦影响较小，提高了辐射效率，能够适用有源放大输出。俯仰面具备较宽的波束宽度，为40°～70°，能够实现更大的对空覆盖能力。从各频点的16波束覆盖图得出，各波束指向性较好、波束指向间隔均匀，方向图未出现形变，高频栅瓣小，且各频点均覆盖±45°，具备了超宽角覆盖能力。中间波束与边缘波束差值在6 GHz时约为2 dB，18 GHz时约为5 dB，具备较好的波束增益特性。
4" 结" 论
基于Rotman透镜的波束形成原理，设计了一种工作在6～18 GHz的多波束发射天线阵。天线阵结构设计紧凑，极化适应性强，通过与波束形成网络连接，实现方位面16波束输出，波束方位面最大覆盖为±45°。同时具有良好的有源驻波特性，能够实现大功率容量。该多波束发射天线阵适用于雷达等领域的多波束干扰系统，而基于Rotman透镜的二维多波束发射/接收天线阵将是未来电子干扰、电子侦察等领域重要研究方向。
参考文献：
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作者简介：盛朋驰（1990—），男，汉族，安徽铜陵人，工程师，硕士研究生，研究方向：多波束天线系统、相控阵天线。
收稿日期：2024-09-23
