陳寶林，李 雋，孫書(shū)良

（1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081）

介質(zhì)透鏡天線的測(cè)試驗(yàn)證方法研究

陳寶林1，李 雋2，孫書(shū)良2

（1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081）

介質(zhì)透鏡天線是一種新型多波束天線形式，其性能測(cè)試方法是迫切需要突破并研究該類天線特性的關(guān)鍵技術(shù)。研究給出該透鏡天線2類測(cè)試方法：?jiǎn)螌油哥R天線各個(gè)端口的方向圖性能測(cè)試；疊層透鏡天線各層各個(gè)端口的方向圖測(cè)試和疊層后整體天線的方向圖性能測(cè)試。方向圖測(cè)試的主要性能指標(biāo)包括天線增益、波束寬度和旁瓣電平等。方向圖性能測(cè)試主要涉及到的設(shè)備儀器包括透鏡天線、Ka波段信號(hào)源、信標(biāo)天線以及暗室測(cè)試環(huán)境。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，給出方法滿足介質(zhì)透鏡天線的測(cè)試要求。

透鏡天線；測(cè)試方法；疊層；方向圖；多波束

0 引言

天線作為各種無(wú)線通信系統(tǒng)的傳感器，提供了傳輸線系統(tǒng)中導(dǎo)行波與自由空間中電磁波相互轉(zhuǎn)換的功能，從而實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)之間電磁信號(hào)的無(wú)線傳輸。其巨大的軍事應(yīng)用價(jià)值、商業(yè)價(jià)值以及社會(huì)功用極大地推動(dòng)著人類文明的進(jìn)步［1，2］。

天線系統(tǒng)領(lǐng)域要求天線具有高方向性、低能量損耗和易于產(chǎn)生多波束等優(yōu)點(diǎn)。天線實(shí)現(xiàn)多波束形成的類型有相控陣天線和多波束天線2種［3］。當(dāng)前國(guó)內(nèi)相控陣天線技術(shù)相對(duì)成熟，但對(duì)多波束天線的研究還不多，特別是介質(zhì)透鏡多波束天線［4，5］。

介質(zhì)透鏡天線是一種能夠通過(guò)透鏡折射將點(diǎn)源轉(zhuǎn)換為平面波從而獲得波束的天線。它在毫米波段和亞毫米波段能夠十分有效地產(chǎn)生多波束和高方向性波束，同時(shí)介質(zhì)材料價(jià)格低廉，能量損耗小，所需加工精度較低，非常適合批量生產(chǎn)［6］。介質(zhì)透鏡天線的測(cè)試技術(shù)是開(kāi)展該類天線研究必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有這方面的研究報(bào)道。本文對(duì)該類天線的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究分析，內(nèi)容主要包括天線反射系數(shù)測(cè)試、天線增益方向圖測(cè)試以及天線軸比測(cè)試［7］。

1 透鏡天線特點(diǎn)

目前天線通信知識(shí)和技術(shù)的迅速發(fā)展使現(xiàn)代天線系統(tǒng)正朝著多功能、高性能以及低成本方向發(fā)展。而單個(gè)天線單元由于自身的局限性，難以滿足現(xiàn)代無(wú)線電子系統(tǒng)所追尋的某些特性要求。陣列天線由許多相同的單個(gè)天線按照一定規(guī)律排列組成，由于陣列天線具有較大的設(shè)計(jì)自由度，應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但傳統(tǒng)的陣列天線因功分器和相移器的功率容量限制而不能直接使用。

陣列天線的應(yīng)用范圍極為寬廣，幾乎所有的現(xiàn)代無(wú)線電子系統(tǒng)均需要陣列天線完成電磁信號(hào)的無(wú)線傳輸。

隨著軍用和民用領(lǐng)域?qū)﹃嚵刑炀€系統(tǒng)不斷提出多功能、高性能以及低成本的需求，陣列天線的設(shè)計(jì)理念也必然要求能夠跟上這些新需求［8］。這些新的需求廣泛存在于雷達(dá)、通信等工程應(yīng)用領(lǐng)域，并極大地鞭策著天線工程師積極尋求新的解決方案。

2 透鏡天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)

透鏡天線采用柱透鏡結(jié)構(gòu)，透鏡天線單元的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。天線饋電采用弧形陣列，水平放置在兩平行板導(dǎo)體之間，以產(chǎn)生水平方向多波束掃描［5］。

圖1 透鏡天線單元結(jié)構(gòu)示意

介質(zhì)透鏡天線為適應(yīng)期毫米波的工作頻段，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：口徑：12λ×λ/2；工作頻段：24 GHz；理論增益值：18.7 dB；具有32個(gè)信號(hào)端口；水平方向±75°掃描。

3 透鏡天線測(cè)試方案

毫米波透鏡天線的測(cè)試內(nèi)容主要包括天線反射系數(shù)測(cè)試、天線增益方向圖測(cè)試以及天線軸比測(cè)試［9］。其測(cè)量方案如下：固定待測(cè)天線、標(biāo)準(zhǔn)天線、初始化轉(zhuǎn)臺(tái)和矢網(wǎng)等測(cè)量設(shè)備；調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)天線為水平極化接收，控制待測(cè)天線所在轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)一圈，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)天線為垂直極化接收，控制待測(cè)天線所在轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)一圈，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得測(cè)試結(jié)果［10－12］。透鏡天線測(cè)試框圖如圖2所示。

圖2 透鏡天線測(cè)試方案

4 透鏡天線測(cè)試方法

4.1 方向圖測(cè)試方法

天線方向圖測(cè)試與其他類型天線方向圖測(cè)試相類似。但由于介質(zhì)透鏡天線僅在一個(gè)方向能夠形成波束，因此只需要調(diào)整好接收天線的水平位置，即可結(jié)合信號(hào)源、頻譜儀和發(fā)射天線進(jìn)行接收介質(zhì)天線的方向圖測(cè)試。測(cè)試方法如下：

①將透鏡天線安裝在方位角度可以調(diào)整的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上；

②根據(jù)發(fā)射天線的波束指向，調(diào)整測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角度，使透鏡天線的被測(cè)波束相心與發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)；

③設(shè)置發(fā)射信號(hào)源參數(shù)，使其產(chǎn)生指定頻率的微波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)發(fā)射天線發(fā)出；

④按照同樣的參數(shù)設(shè)置接收頻譜儀，觀測(cè)通過(guò)收發(fā)天線傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)幅度，確認(rèn)測(cè)試系統(tǒng)工作正常；

⑤接收轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始水平旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)記錄接收頻譜收到信號(hào)的電平；

⑥根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度和信號(hào)電平繪制此介質(zhì)天線該波束的方向圖；

⑦重復(fù)上述步驟可以得到其他波束的方向圖信息。

4.2 偽距測(cè)量測(cè)試方法

偽距測(cè)量試驗(yàn)只需要調(diào)整好接收終端的入口電平，即可結(jié)合收發(fā)設(shè)備進(jìn)行鏈路的收發(fā)偽距精度測(cè)試。測(cè)試方法如下：

①將透鏡天線安裝在方位角度可以調(diào)整的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上；

②根據(jù)波束的指向，調(diào)整測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角度，使透鏡天線產(chǎn)生的波束對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)處的信標(biāo)天線；

③設(shè)置發(fā)射終端的導(dǎo)航信號(hào)的偽碼參數(shù)，并產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)，按照同樣的偽碼參數(shù)設(shè)置接收終端，進(jìn)行測(cè)距信號(hào)的接收；

④接收終端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，并求得測(cè)量偽距值；

⑤改變透鏡天線的波束，重復(fù)上述步驟可以求得其他波束的偽距測(cè)量值。

5 透鏡天線的測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)在微波暗室的實(shí)地測(cè)量，本透鏡單層天線在水平方向上能夠按照設(shè)計(jì)要求形成波束，其中心波束在設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的測(cè)試方向圖如圖3所示。

圖3 透鏡天線單波束方向圖測(cè)試結(jié)果

此外，經(jīng)測(cè)試該型透鏡天線也支持實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信息的高精度接收，測(cè)距精度達(dá)到0.2 ns。該天線的實(shí)測(cè)結(jié)果如下：頻段：24～24.6 GHz；實(shí)測(cè)最大增益14.6 dB；校正后增益16.1 dB；3 dB帶寬約為5°；主副比為12 dB。

當(dāng)使用4層疊層天線時(shí)，由于加工精度原因，各層天線之間形成波束有所影響，其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 4層透鏡天線8方向圖測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出：

①全部端口測(cè)試的最大增益為12 dB，同設(shè)計(jì)值18 dB相差較大，部分端口的增益在5 dB左右；

②分析原因應(yīng)為天線加工精度限制和應(yīng)力形變?cè)斐桑?/p>

③個(gè)別通道因加工精度不足和應(yīng)力形變導(dǎo)致?lián)p耗較大。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，單層介質(zhì)透鏡天線的各項(xiàng)指標(biāo)與理論值基本一致。特別是設(shè)計(jì)的透鏡天線增益18 dBi，經(jīng)實(shí)測(cè)達(dá)到16.1 dBi，考慮到透鏡加工差損，應(yīng)認(rèn)為該透鏡天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是正確的。但對(duì)于多層透鏡天線，由于當(dāng)前的工藝和材料水平限制，天線本身難以保證各層各波束都有較好的方向圖及增益。

通過(guò)對(duì)單層和4層介質(zhì)透鏡天線的實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了本文提出的針對(duì)介質(zhì)透鏡天線的測(cè)試方法完全正確、可行。本文的測(cè)試技術(shù)研究和介質(zhì)天線的詳細(xì)設(shè)計(jì)，為后續(xù)介質(zhì)透鏡天線的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Research on Testing Methods of Dielectric Lens Antenna

CHEN Baolin1，LI Jun2，SUN Shuliang2
（1．Hebei Far East Communication System Engineering Co．Ltd，Shijiazhuang Hebei 050200，China；2．Hebei Province Key Laboratory of Satellite Navigation Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Lens antenna is a new type ofmultibeam antenna，and its performance testing is a key technology for exploring its characteristics.Twomethods for lens antenna pattern performance testing are presented：one is the pattern performance testing of each port of a single lens antenna，the other is the lens antenna pattern test of laminated layers of each port and the terrace performance test of the overall antenna pattern.The key performance specifications of pattern tests include antenna gain，beam width and side lobe level，etc.Themain instruments involved in the test ofantenna pattern performance include lens antenna，Kaband signal source，beacon antenna and darkroom test environment.The test verifies that themethodsmeet the test requirement of dielectric lens antenna.

lens antenna；textmethod；stacked layer；radiation pattern；multi-beam

TN967.1

A

1003－3106（2015）09－0058－03

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.15

陳寶林，李 雋，孫書(shū)良.介質(zhì)透鏡天線的測(cè)試驗(yàn)證方法研究［J］.無(wú)線電工程，2015，45（9）：58－60.

陳寶林男，（1981—），工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、自動(dòng)測(cè)試等。

2015-05-26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA12160Z）。

李 雋男，（1973—），碩士，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、自動(dòng)測(cè)試等。