介质透镜天线的测试验证方法研究

陈宝林，李 隽，孙书良

（1.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200；2.河北省卫星导航技术重点实验室，河北 石家庄 050081）

介质透镜天线的测试验证方法研究

陈宝林1，李 隽2，孙书良2

（1.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200；2.河北省卫星导航技术重点实验室，河北 石家庄 050081）

介质透镜天线是一种新型多波束天线形式，其性能测试方法是迫切需要突破并研究该类天线特性的关键技术。研究给出该透镜天线2类测试方法：单层透镜天线各个端口的方向图性能测试；叠层透镜天线各层各个端口的方向图测试和叠层后整体天线的方向图性能测试。方向图测试的主要性能指标包括天线增益、波束宽度和旁瓣电平等。方向图性能测试主要涉及到的设备仪器包括透镜天线、Ka波段信号源、信标天线以及暗室测试环境。通过试验验证，给出方法满足介质透镜天线的测试要求。

透镜天线；测试方法；叠层；方向图；多波束

0 引言

天线作为各种无线通信系统的传感器，提供了传输线系统中导行波与自由空间中电磁波相互转换的功能，从而实现任意两点之间电磁信号的无线传输。其巨大的军事应用价值、商业价值以及社会功用极大地推动着人类文明的进步［1，2］。

天线系统领域要求天线具有高方向性、低能量损耗和易于产生多波束等优点。天线实现多波束形成的类型有相控阵天线和多波束天线2种［3］。当前国内相控阵天线技术相对成熟，但对多波束天线的研究还不多，特别是介质透镜多波束天线［4，5］。

介质透镜天线是一种能够通过透镜折射将点源转换为平面波从而获得波束的天线。它在毫米波段和亚毫米波段能够十分有效地产生多波束和高方向性波束，同时介质材料价格低廉，能量损耗小，所需加工精度较低，非常适合批量生产［6］。介质透镜天线的测试技术是开展该类天线研究必须要解决的关键技术，当前国内外尚没有这方面的研究报道。本文对该类天线的测试技术进行了研究分析，内容主要包括天线反射系数测试、天线增益方向图测试以及天线轴比测试［7］。

1 透镜天线特点

目前天线通信知识和技术的迅速发展使现代天线系统正朝着多功能、高性能以及低成本方向发展。而单个天线单元由于自身的局限性，难以满足现代无线电子系统所追寻的某些特性要求。阵列天线由许多相同的单个天线按照一定规律排列组成，由于阵列天线具有较大的设计自由度，应用于高功率微波领域有其独特的优势。但传统的阵列天线因功分器和相移器的功率容量限制而不能直接使用。

阵列天线的应用范围极为宽广，几乎所有的现代无线电子系统均需要阵列天线完成电磁信号的无线传输。

随着军用和民用领域对阵列天线系统不断提出多功能、高性能以及低成本的需求，阵列天线的设计理念也必然要求能够跟上这些新需求［8］。这些新的需求广泛存在于雷达、通信等工程应用领域，并极大地鞭策着天线工程师积极寻求新的解决方案。

2 透镜天线的设计指标

透镜天线采用柱透镜结构，透镜天线单元的结构示意如图1所示。天线馈电采用弧形阵列，水平放置在两平行板导体之间，以产生水平方向多波束扫描［5］。

图1 透镜天线单元结构示意

介质透镜天线为适应期毫米波的工作频段，其设计指标如下：口径：12λ×λ/2；工作频段：24 GHz；理论增益值：18.7 dB；具有32个信号端口；水平方向±75°扫描。

3 透镜天线测试方案

毫米波透镜天线的测试内容主要包括天线反射系数测试、天线增益方向图测试以及天线轴比测试［9］。其测量方案如下：固定待测天线、标准天线、初始化转台和矢网等测量设备；调节标准天线为水平极化接收，控制待测天线所在转台，旋转一圈，记录测试数据；调节标准天线为垂直极化接收，控制待测天线所在转台，旋转一圈，记录测试数据；对测试数据进行处理，获得测试结果［10－12］。透镜天线测试框图如图2所示。

图2 透镜天线测试方案

4 透镜天线测试方法

4.1 方向图测试方法

天线方向图测试与其他类型天线方向图测试相类似。但由于介质透镜天线仅在一个方向能够形成波束，因此只需要调整好接收天线的水平位置，即可结合信号源、频谱仪和发射天线进行接收介质天线的方向图测试。测试方法如下：

①将透镜天线安装在方位角度可以调整的测试转台上；

②根据发射天线的波束指向，调整测试转台的方位角度，使透镜天线的被测波束相心与发射天线对准；

③设置发射信号源参数，使其产生指定频率的微波信号，并经过发射天线发出；

④按照同样的参数设置接收频谱仪，观测通过收发天线传递过来的信号幅度，确认测试系统工作正常；

⑤接收转台开始水平旋转，实时记录接收频谱收到信号的电平；

⑥根据旋转角度和信号电平绘制此介质天线该波束的方向图；

⑦重复上述步骤可以得到其他波束的方向图信息。

4.2 伪距测量测试方法

伪距测量试验只需要调整好接收终端的入口电平，即可结合收发设备进行链路的收发伪距精度测试。测试方法如下：

①将透镜天线安装在方位角度可以调整的测试转台上；

②根据波束的指向，调整测试转台的方位角度，使透镜天线产生的波束对准远处的信标天线；

③设置发射终端的导航信号的伪码参数，并产生导航信号，按照同样的伪码参数设置接收终端，进行测距信号的接收；

④接收终端对接收到的信号进行相关解扩，并求得测量伪距值；

⑤改变透镜天线的波束，重复上述步骤可以求得其他波束的伪距测量值。

5 透镜天线的测试结果

经过在微波暗室的实地测量，本透镜单层天线在水平方向上能够按照设计要求形成波束，其中心波束在设计频点的测试方向图如图3所示。

图3 透镜天线单波束方向图测试结果

此外，经测试该型透镜天线也支持实现扩频信息的高精度接收，测距精度达到0.2 ns。该天线的实测结果如下：频段：24～24.6 GHz；实测最大增益14.6 dB；校正后增益16.1 dB；3 dB带宽约为5°；主副比为12 dB。

当使用4层叠层天线时，由于加工精度原因，各层天线之间形成波束有所影响，其测试结果如图4所示。

图4 4层透镜天线8方向图测试结果

从图4可以看出：

①全部端口测试的最大增益为12 dB，同设计值18 dB相差较大，部分端口的增益在5 dB左右；

②分析原因应为天线加工精度限制和应力形变造成；

③个别通道因加工精度不足和应力形变导致损耗较大。

6 结束语

经过实际测试，单层介质透镜天线的各项指标与理论值基本一致。特别是设计的透镜天线增益18 dBi，经实测达到16.1 dBi，考虑到透镜加工差损，应认为该透镜天线的设计实现是正确的。但对于多层透镜天线，由于当前的工艺和材料水平限制，天线本身难以保证各层各波束都有较好的方向图及增益。

通过对单层和4层介质透镜天线的实际测试，验证了本文提出的针对介质透镜天线的测试方法完全正确、可行。本文的测试技术研究和介质天线的详细设计，为后续介质透镜天线的工程化应用奠定了基础。

［1］ 李 勇，戴 明，常立新.一种Ka频段多波束天线设计研究［J］.无线电工程，2012，42（8）：41－42.

［2］ 韩国栋，杜 彪，陈如山.卫星移动通信相控阵天线研究现状与技术展望［J］.无线电通信技术，2013，39（4）：1－6.

［3］ 黄海峰，孙书良，王旭亮.基于Rotman透镜天线的多波束技术研究［J］.电子技术与软件工程，2013（3）：42－45.

［4］ 陈春红，叶海荣，孙国俊.毫米波Rotman透镜天线设计［J］.电子工程师，2006，32（11）：10－13.

［5］ 李 勇，李文计.一种Ka频段多波束天线的工程实现［J］.无线电通信技术，2012，38（4）：45－47.

［6］ JAMES J R，HALL P S.Handbook of Micro Strip Antennas［M］.London：Peter Peregrinus，1990.

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［10］ 马康健，秦丹阳.多端口射频开关矩阵控制测试系统［J］.无线电通信技术，2013，39（3）：57－60.

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［12］ 郭万禄.基于阵列天线测量装备的标校方法研究［J］.无线电工程，2012，42（9）：57－60.

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

陈宝林，李 隽，孙书良.介质透镜天线的测试验证方法研究［J］.无线电工程，2015，45（9）：58－60.

陈宝林男，（1981—），工程师。主要研究方向：卫星导航、自动测试等。

2015-05-26

国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2012AA12160Z）。

李 隽男，（1973—），硕士，研究员。主要研究方向：卫星导航、自动测试等。