应该如何设计W波段双极化透镜天线

　　本文设计了一个工作于W波段的铁氟龙透镜阵列。天线的馈源为四个对角喇叭天线组成的天线阵，在此馈源上加载高度为5mm，半径12mm的透镜，使得天线的增益高于22dBi，副瓣（SLL）低于-18dBc，同时通过改变透镜距馈源喇叭天线的距离，实现半功率波束宽度从8°~12°的变化，以满足系统不同的需求。体现了透镜设计的可实施性和正确性，为透镜加载喇叭天线的设计提供了一种新颖的思路。

　　使用透镜是一种常见的聚焦方法，包括介质透镜和金属加速透镜。国内外均对此项技术有所研究。文献［1］介绍了透镜天线的分类、工作原理和工程应用。文献［2］主要应用光学方法设计了一种基于圆锥喇叭的聚焦透镜天线，聚焦性能好，但透镜尺寸较小，加工成本高。文献［3］提出了一种多扇区介质透镜天线，介质采用扇形台阶的形式加载在喇叭天线口径的前端，可以进行相位补偿，并使得天线的方向性变好。文献［4］提出了一种多波束介质透镜天线的设计方法，易于加工，纵向尺寸短。文献 ［5］提出了一种W波段用于雷达测距的高增益透镜天线，实现了高增益，低副瓣。本文设计了一种透镜加载天线，有效降低了 3dB波瓣宽度，提高了增益，符合3mm系统对天线尺寸的要求。由于角锥喇叭馈源的多子阵分布，因此基于微透镜阵列原理，设计了3mm波段双极化透镜天线，天线性能良好。

　　本文设计的透镜天线工作的中心频率为f0，焦距f约为8.5mm，由于透镜反射的能量大小与介质的介电常数大小成正比，同时介质透镜对电磁波的聚焦能力与介质的介电常数成正比。故要合理选择透镜的介质。这里选择介电常数为2.08（折射率为 1.442）的聚四氟乙烯材料teflon_based（即铁氟龙）。透镜的几何参数可由式（1）和（2）计算得出。由于本系统中的馈源天线是四个对角喇叭天线构成的小型天线阵列，四个对角喇叭通过馈电相位的不同实现不同极化，其原理及馈电的初始相位如图2所示，其中2端口与4端口始终同相，1端口与3端口始终同相，当2、4端口馈电相位超前1、3端口90° 时，合成左旋圆极化波；当1、3端口馈电相位超前2、4端口90°时，合成右旋圆极化波。图2中电磁波垂直纸面向外传播时，极化方式与馈电相位的关系如表1所示。