一、多波束天线原型及国内外发展现状

在雷达系统中，获得快速的波束扫描、多角度同时接收或发射信号、同时侦测和跟踪多个目标以及分辨各种极化特征目标的能力至关重要。传统的天线系统通过机械方式实现波束指向变化，但是机械扫描方式操作难度大，波束方向的转动速度慢，另外机械系统还需要经常维护，因而多种电扫描天线应运而生。如频率扫描、相位扫描及开关扫描方式等。最受研究人员欢迎的是相位扫描和开关扫描两种方式，频率扫描方式比较少用。使用相位扫描方式的天线即为相控阵天线，其使用有源或无源网络来 设置所需的振幅和相位分布，使得波束指向需求方向。但是，在毫米波波段，有源网络的损耗非常大，而宽带无源元件更难以实现。开关扫描方式是通过一个多路电子开关快速切换不同的激励端口，从而产生多个不同指向的波束在一定的空间范围内堆积的效果。采用这种扫描方式的天线也称为多波束天线。多波束天线还能够并行产生多个具有高增益的独立定向波束来覆盖指定的角度范围，以提供更高的系统容量。

(a)     (b)

图1 同时工作的多波束天线阵列模式(a)工作模式1；(b)工作模式2

如图1(a)、(b)所示，该工作模式利用多波束馈电网络为阵列中的各个天线单元提供相位控制和幅度控制，通过每次对不同的输入端口馈电，各天线单元将获得不同的功率分配与相位偏差，从而使整体天线阵列产生不同方向的波束。多波束天线阵列模式由于所有天线同时工作，具有比传统分时的单天线工作模式更高的增益，同时馈电网络的存在使得该多波束模式具有类似于相控阵的波束扫描功能。

常见的多波束天线主要基于三种形式：反射面类、相控阵类以及微波透镜类。微波透镜类多波束天线具有相位误差低、宽带、宽角扫描和真时延等特点，能够为卫星、遥控车辆、防撞雷达和超宽带通信系统的应用提供理想的性能。这里的―透镜‖区别于传统意义上的放大镜等光学透镜，在天线领域借鉴了光学透镜的工作原理，使入射电磁波穿过这种准光学透镜，并在一点或者多点聚焦的装置称为透镜天线。 相比于反射面天线，透镜类多波束天线剖面低、结构紧凑、重量轻、尺寸小，另外还具有良好的波束指向性，扫描范围更宽等优势。而相控阵类多波束天线在需要的扫描波束比较大时，其造价高昂，损耗大，尤其在Ka波段及以上的高频段更为明显，导致其可靠性存在问题。用透镜多波束形成网络替换传统相控阵中使用的移相器和功率分配器，可以显著降低系统的成本和复杂度。

图2毫米波 Rotman 透镜

2016 年，A. Attaran 设计了一种具有低相位误差的微带型 Rotman 透镜多波束天线，如图 3，天线阵采用开路 1/4λ 短截线来实现高增益和宽频带性能，Rotman 透镜和天线阵列位于多层低温共烧陶瓷（LTCC）介质基板的顶层，在 60GHz频率点上的相位误差不超过 0.45°。

图3 微带型 Rotman 透镜多波束天线

同年，K. Tekkouk 等提出一种双层紧凑型Rotman 透镜馈电的 SIW 缝隙阵列多波束天线，该透镜采用基于多个星形耦合缝隙与一个 SIW 集成反射面的新型过渡结构。2017 年，K. V. Hoel 采用 3D 打印技术制作了一款工作于 6GHz~18GHz 内的宽带 Rotman 透镜，如图 1.7，采用 3D 打印技术为复杂透镜天线的加工工艺提供了更加精准和便捷的方法。同年，Nelson J. G. Fonseca提出了一种新型二维 Rotman 透镜实现大宽角扫描范围的焦弧曲线设计理论，这种方法提出了一种规避焦弧曲线和阵列内轮廓曲线相互交叠的方法，使得波束形成网络的设计更加灵活，有效地减小了大宽角度下 Rotman 透镜网络光程误差的数量级，并且能够显著的扩展 Rotman 透镜的扫描角度范围。

图4 X 波段高功率容量 Rotman 透镜天线

图5 柱面共形 Rotman 透镜多波束天线

二、整体天线结构

（a）天线示意图

（b）天线设计图

图6 整体天线结构

图7 天线与射频组件连接图

l 天线为多波束天线，其多波束网络输出端为天线单元，输入端接单刀多掷开关，完成对各个波束的切换。单刀多掷开关输入为单端口，可直接连接射频组件。

l 天线与射频接口为SMA接口。

三、天线单元设计

天线单元选择宽带偶极子为基础，其模型如下所示，单元极化为线极化。

图8 天线单元

天线单元的S参数如下图所示：

图9 天线单元S11

工作频率覆盖2.1-5.4GHz,满足项目的频率覆盖（ 2.8GHz±50MHz；3.9GHz±50MHz；4.6 GHz±50MHz）要求。其电压驻波比如下图10所示：分别为1.53,1.76和1.73

图10 天线单元VSWR

天线单元方向图如下所示，其方向图具有定向特性，其辐射方向为天线正前方，增益大于5dB。

低频

中频

高频

图11 天线三维方向图

低频

图12 二维方向图典型值

上图为三个频段的辐射方向图及二维方向图，可见天线单元增益为5dBi左右。

三、多波束Rotman 透镜馈电网络

图13 多波束Rotman 透镜馈电网络

上图为多波束Rotman 透镜馈电网络，其输入为8端口，可实现八个波束指向，输出为16端口，可端接16个天线单元。下图为输入端口S参数。

图14馈入端口S11

图15为输入端口和输出端口的隔离度，图16为相邻端口的相位差，可见相位差为递变相位差，可实现波束的特定指向。

图15输入端口之间的隔离度

图16 相邻端口的相位差

四、多波束天线阵列方向图仿真

图17 多波束天线

图18 法向3D方向图

H面

E面

图19 法向2D方向图

可见阵列法向增益大于15dBi

多波束覆盖图

word资料附上，可下载：

https://admin.designchn.com/case/多波束天线方案.docx