基于Rotman透镜的低剖面宽带共形多波束天线设计

As passive broadband multi-beam forming networks, Rotman lenses have been widely used in planar multi-beam array antennas. In order to meet the development needs of integration of broadband conformal multi-beam antennas, it is urgent to design a multi-beam forming network that can be conformed to many kinds of supporting bodies and a low-profile broadband super-surface antenna array. To solve the key problems for integration, this project plans to study the Rotman lens design methods suitable for various conformal arrays, and analyze the relationship between Rotman lens geometry and beamforming ability in conformal applications. Focus on the influence of the lens structure on its operating band and feeding efficiency, and the relationship between the conformal shape and the beam gains, beam width and beam coverage. In addition, this project also intends to design a conformal broadband metasurface antenna array with low profile by means of characteristic mode analysis. Finally, a compact integrated broadband conformal multi-beam antenna will be realized, and antenna prototype will be experimentally verified.

共形电扫天线在导弹、无人机等飞行器平台的通信、测控系统中发挥着关键作用，但此类平台对天线的外形、体积、重量、功耗和成本等指标要求比较严苛，传统的相控阵天线难以同时兼顾，而基于无源波束形成网络的多波束天线显现出应用潜力。在众多的平面多波束天线中，Rotman透镜作为一种简单易设计的宽带波束形成网络得到了广泛使用。为解决共形多波束天线一体化集成时须补偿阵列空间相位的问题，本项目拟开展适用于多种常见共形阵列的Rotman透镜设计方法研究，并在此基础上分析阵列共形对Rotman透镜几何结构和波束形成能力的影响，以及阵列共形形态与波束增益、宽度和覆盖范围之间的约束关系。结合Rotman透镜的宽带特性，本项目还拟借助特征模分析方法，设计一种具有低剖面的共形宽带超表面天线阵列，以实现宽带共形多波束天线的低剖面集成，降低加工成本，使得共形宽带多波束更好地适应飞行器平台的发展需求。

共形电扫天线在导弹、无人机等飞行器平台的通信、测控系统中发挥着关键作用，但此类平台对天线的外形、体积、重量、功耗和成本等指标要求比较严苛，传统的相控阵天线难以同时兼顾，而基于无源波束形成网络的多波束天线显现出应用潜力。本项目主要开展了共形多波束窄带型、宽带型多波束天线的研究，利用特征模分析理论分析设计了宽带超表面天线，解决了共形Rotman透镜与超表面天线的集成问题，结合量子微波测量等前沿技术对微波口径与量子口径的融合式多波束天线进行了探索。主要研究内容包括：1）研究了适用于共形阵列的 Rotman 透镜设计方法，针对不同共形方式会给共形阵列引入不同的空间相位差，推导 Rotman 透镜在共形阵列应用时的设计公式，并通过仿真研究透镜自身弯曲造成的幅相误差对波束性能的影响，研究了Rotman透镜波束形成能力与阵列共形形态的约束关系；2）借助特征模分析设计方法，设计了一种共享贴片的低剖面共形宽带超表面天线阵列，研究了共形对超表面天线特征电流分布、高次模谐振频率等特性的影响；3）研究馈电网络与辐射阵列在共形形态下的宽带过渡结构，以及共形弯曲对集成结构的电性能影响，实现了 Rotman 透镜和超表面天线阵结构的集成，加工原理样机并验证其有效性。4）研究并引入量子微波测量技术，设计了微波和量子混合口径的多波束天线，可增强方向性和探测灵敏度。