羅特曼透鏡多波束技術歷史淺說

2019-06-13 來源:電波之矛 我要評論(0) 字號:

透鏡多波束技術采用微波透鏡為饋電網絡,利用透鏡所固有的特性:當在透鏡不同的焦弧輸入端口上輸入微波信號時,在透鏡不同的輸出焦弧端口上將同時激勵具有近似等幅和線性相位差的微波信號。這些相位差與信號頻率無關。不同相位差的微波信號經天線輻射元向空中輻射時,將形成不同指向的波陣面,即產生不同的波束指向,可同時形成多個波束。

透鏡多波束技術的主要特點如下圖所示:

可以概括為:

1)瞬時帶寬寬,可以跨多個倍頻程(真延時,掃描與頻率無關)
2)多目標同時工作
3)反應速度快,可達納秒級
4)系統為無源器件,可靠性高
5)寬角覆蓋

主要發展歷程

20 世紀50 年代后,隨著跟蹤雷達、衛星通信以及電子對抗等領域對多目標應用環境的要求不斷加強,出現了基于準光學原理的透鏡多波束技術,其中最著名的當屬羅特曼透鏡。該透鏡源自20世紀50年代的魯茨(Ruze) 透鏡和R-2R透鏡。魯茨透鏡是從傳統的金屬平板光學透鏡演化而來,具有多個輸入輸出端口,但該透鏡各端口間存在一定的相位誤差,這限制了它的使用。下圖為魯茨透鏡的四種類型。

魯茨透鏡的四種類型

R-2R透鏡的顯著特點是它能理想聚焦,在一個很寬的角區內它能給出多個同時的天線波束,且沒有象差。但制作工藝要求非常高,且角度覆蓋有限。

R-2R透鏡工作原理

1957年,Gent改進了透鏡輸出端口與陣列單元間傳輸線的設計,提出了Bootlace透鏡,該透鏡20世紀70年代在澳大利亞和美國的飛機精確著陸系統中得到了應用,但是Bootlace透鏡不同的微波路徑之間往往有較大的相位誤差,并且透鏡尺寸較大,因而限制了Bootlace透鏡的應用。

Bootlace透鏡

與此同時,在美國陸軍研究實驗室(ARL)項目的資助下,麻省理工學院的研究人員也對微波透鏡的改進設計進行了研究。1960年,Rotman和Tuner在其預警雷達系統中應用了Bootlace透鏡的設計方案;1962年,他們報道了一種命名為羅特曼透鏡的新型的微波透鏡,它極大地改善了魯茨透鏡的相位誤差和設計自由度的限制。

Rotman

特曼透鏡

羅特曼透鏡的專利

羅特曼等人1965年報道了其實現的頻率范圍覆蓋2.8-3.2GHz,掃描范圍±12°,波束步進3°,副瓣電平-18dB,略低于設計值-22dB的透鏡,該透鏡的方向圖測試結果如下圖所示。

此后,基于羅特曼透鏡設計的系統于1967年應用于雷聲公司,并于1972年在F-4飛機進行了進一步測試。其后,Archer等研究人員提出基于微帶線和帶狀線的印制電路羅特曼透鏡的概念,同時,隨著計算機輔助設計的出現,這才使得羅特曼透鏡得到更為廣泛的應用。

雷聲公司一直積極推動著羅特曼透鏡的工業化的進程,主要聚焦于透鏡的小型化和可靠性,1967年,雷聲第一個微帶透鏡和掃描擴展透鏡研制成功。下圖為透鏡對比圖。

1970,第一個二維羅特曼透鏡的原型樣機完成研制。該技術第二年應用于“MUSTRAC”艦載遙測跟蹤系統中,該系統由376個雙極化單元組成一平面陣列,并且采用堆疊微帶羅特曼透鏡的方式實現二維掃描。

1972年,雷聲在美國海軍電子戰系統AN/SLQ-32的競標中應用12個羅特曼透鏡天線陣實現了全方位面的波束覆蓋。這項新技術最終使得雷聲公司在競爭中獲勝。

1975年,雷聲研制了140個單元的透鏡陣列天線,波束覆蓋范圍為180°。1986年,雷聲公司將羅特曼透鏡應用在ALQ-119吊艙的升級上,這款最終型號為AN/ALQ-184的吊艙后來裝備于F-16, A-10, F-4, F-l 1, F-15, A-7和C-130等多型飛機上。

1987年,實現了幅瓣電平為-30dB的緊湊型透鏡。1994年,雷聲驗證了帶寬三倍倍頻程,掃描范圍±60°,幅度一致性0.53dB,相位一致性4.1°的羅特曼透鏡。

進入2000年后,羅特曼透鏡向著高頻、小型化和柔性化的方向發展,在星間鏈路、衛星通信及汽車防撞雷達等新興領域的也得到廣泛應用。

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