罗特曼透镜多波束技术历史浅说

2019年06月21日

透镜多波束技术采用微波透镜为馈电网络,利用透镜所固有的特性:当在透镜不同的焦弧输入端口上输入微波信号时,在透镜不同的输出焦弧端口上将同时激励具有近似等幅和线性相位差的微波信号。这些相位差与信号频率无关。不同相位差的微波信号经天线辐射元向空中辐射时,将形成不同指向的波阵面,即产生不同的波束指向,可同时形成多个波束。

 

透镜多波束技术的主要特点如下图所示:

 

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可以概括为:

 

1)瞬时带宽宽,可以跨多个倍频程(真延时,扫描与频率无关)
2)多目标同时工作
3)反应速度快,可达纳秒级
4)系统为无源器件,可靠性高
5)宽角覆盖


主要发展历程


20 世纪50 年代后,随着跟踪雷达、卫星通信以及电子对抗等领域对多目标应用环境的要求不断加强,出现了基于准光学原理的透镜多波束技术,其中最著名的当属罗特曼透镜。该透镜源自20世纪50年代的鲁茨(Ruze) 透镜和R-2R透镜。鲁茨透镜是从传统的金属平板光学透镜演化而来,具有多个输入输出端口,但该透镜各端口间存在一定的相位误差,这限制了它的使用。下图为鲁茨透镜的四种类型。

 

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鲁茨透镜的四种类型

 

R-2R透镜的显著特点是它能理想聚焦,在一个很宽的角区内它能给出多个同时的天线波束,且没有象差。但制作工艺要求非常高,且角度覆盖有限。

 

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R-2R透镜工作原理

 

1957年,Gent改进了透镜输出端口与阵列单元间传输线的设计,提出了Bootlace透镜,该透镜20世纪70年代在澳大利亚和美国的飞机精确着陆系统中得到了应用,但是Bootlace透镜不同的微波路径之间往往有较大的相位误差,并且透镜尺寸较大,因而限制了Bootlace透镜的应用。

 

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Bootlace透镜

 

与此同时,在美国陆军研究实验室(ARL)项目的资助下,麻省理工学院的研究人员也对微波透镜的改进设计进行了研究。1960年,Rotman和Tuner在其预警雷达系统中应用了Bootlace透镜的设计方案;1962年,他们报道了一种命名为罗特曼透镜的新型的微波透镜,它极大地改善了鲁茨透镜的相位误差和设计自由度的限制。

 

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Rotman

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特曼透镜

 

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罗特曼透镜的专利

 

罗特曼等人1965年报道了其实现的频率范围覆盖2.8-3.2GHz,扫描范围±12°,波束步进3°,副瓣电平-18dB,略低于设计值-22dB的透镜,该透镜的方向图测试结果如下图所示。

 

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此后,基于罗特曼透镜设计的系统于1967年应用于雷声公司,并于1972年在F-4飞机进行了进一步测试。其后,Archer等研究人员提出基于微带线和带状线的印制电路罗特曼透镜的概念,同时,随着计算机辅助设计的出现,这才使得罗特曼透镜得到更为广泛的应用。

 

雷声公司一直积极推动着罗特曼透镜的工业化的进程,主要聚焦于透镜的小型化和可靠性,1967年,雷声第一个微带透镜和扫描扩展透镜研制成功。下图为透镜对比图。

 

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1970,第一个二维罗特曼透镜的原型样机完成研制。该技术第二年应用于“MUSTRAC”舰载遥测跟踪系统中,该系统由376个双极化单元组成一平面阵列,并且采用堆叠微带罗特曼透镜的方式实现二维扫描。

 

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1972年,雷声在美国海军电子战系统AN/SLQ-32的竞标中应用12个罗特曼透镜天线阵实现了全方位面的波束覆盖。这项新技术最终使得雷声公司在竞争中获胜。

 

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1975年,雷声研制了140个单元的透镜阵列天线,波束覆盖范围为180°。1986年,雷声公司将罗特曼透镜应用在ALQ-119吊舱的升级上,这款最终型号为AN/ALQ-184的吊舱后来装备于F-16, A-10, F-4, F-l 1, F-15, A-7和C-130等多型飞机上。

 

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1987年,实现了幅瓣电平为-30dB的紧凑型透镜。1994年,雷声验证了带宽三倍倍频程,扫描范围±60°,幅度一致性0.53dB,相位一致性4.1°的罗特曼透镜。

 

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进入2000年后,罗特曼透镜向着高频、小型化和柔性化的方向发展,在星间链路、卫星通信及汽车防撞雷达等新兴领域的也得到广泛应用。

 

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来源:深圳市首质诚科技有限公司

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