摘要：毫米波頻段具有極寬的信息頻帶、獨(dú)特的電波傳播特性和良好的設(shè)備輕小型化潛力，在新型的通信、雷達(dá)、射電天文和遙感系統(tǒng)的發(fā)展中，應(yīng)用日益廣泛。我國(guó)電子領(lǐng)域未來(lái)將朝毫米波高端發(fā)展，毫米波天線，包括采用先進(jìn)復(fù)合材料制造的高精度天線，開(kāi)發(fā)W頻段或更高頻段，其應(yīng)用前景無(wú)疑十分廣闊。

關(guān)鍵詞：毫米波天線 開(kāi)發(fā)W頻段 應(yīng)用前景

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前使用較多的毫米波天線有反射面天線、透鏡天線和喇叭天線。除此之外，一些較低頻率的天線也能適用于毫米波頻率，如裂縫偶極子和低介電損耗微帶天線等。然而，在高增益應(yīng)用場(chǎng)合，反射面天線相對(duì)其他種類天線來(lái)說(shuō)，更具有增益大、工作頻段更高、損耗小等優(yōu)勢(shì)。制造于80年代中期的James Clerk Maxwell射電天文望遠(yuǎn)鏡就是一個(gè)成功應(yīng)用實(shí)例，天線口徑15米，最高工作頻率750GHz，在波長(zhǎng)為0.4mm時(shí)，天線增益約為95dB，波束寬度為6弧秒。天線主反射器由分布在7個(gè)環(huán)上的276塊板組成，這些板分裝在相應(yīng)的架上并且可以分別用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)調(diào)整，板的表面精度誤差（RMS）小于15，采用毫米波全息攝像技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)表面（馬達(dá)驅(qū)動(dòng)），估計(jì)整個(gè)天線的RMS控制在30。碳纖維復(fù)合材料天線由于其重量輕，批量生產(chǎn)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，也廣泛用于毫米波段。美國(guó)1999年發(fā)射的NASA跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星HS601，衛(wèi)星由加拿大休斯公司制造，天線口徑3.8米，天線網(wǎng)格由碳纖維復(fù)合材料制造，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)，耐空間環(huán)境特性。

2 發(fā)展趨勢(shì)

由于受應(yīng)用限制，國(guó)內(nèi)的毫米波天線應(yīng)用多在Ka頻段，而在W頻段或更高頻段，未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

3 研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

本系統(tǒng)是一個(gè)工作在W波段的收發(fā)分置反射面雙天線，通過(guò)更換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作。反射面天線要在俯仰面產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較寬的波束（2°～3°），而在方位面產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較窄的波束（0.2°～0.5°），因此采用切割拋物面作為收發(fā)天線比較合適，一般情況下，切割拋物面效率很難做高，只能經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)做到最佳。考慮到加工成本及加工難度，饋源采用光壁角錐喇叭。由于考慮到應(yīng)用于連續(xù)波工作體制，因此收發(fā)天線隔離度要求大于30dB。系統(tǒng)對(duì)收發(fā)天線的波束重合度也有嚴(yán)格的要求（0.1°～0.2°）。

4 技術(shù)關(guān)鍵

從反射面產(chǎn)生的波束寬度來(lái)看，天線屬于電大尺寸，天線性能取決于以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：①天線幾何尺寸選取的合理性。②天線輻射特性的準(zhǔn)確計(jì)算方法。③零件制造與檢驗(yàn)，裝配與調(diào)試。

5 技術(shù)路線

5.1 采用Ansoft公司的HFSS軟件進(jìn)行饋源仿真設(shè)計(jì) HFSS仿真技術(shù)已十分成熟，可用于饋源設(shè)計(jì)，根據(jù)天線邊緣照射電平要求，設(shè)計(jì)調(diào)整喇叭的口徑尺寸及喇叭長(zhǎng)度，適當(dāng)考慮饋源的駐波要求。

5.2 采用物理光學(xué)法計(jì)算拋物面天線的輻射特性 由于天線屬于電大尺寸，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)行速度的限制，軟件仿真法已不適用于天線輻射特性的計(jì)算，我們采用物理光學(xué)法計(jì)算拋物面天線的輻射特性，其計(jì)算過(guò)程如下：

5.2.1 建立計(jì)算用饋源理論模型。實(shí)際喇叭的仿真特性與計(jì)算用饋源理論模型的特性有差異，通過(guò)在不同的角度區(qū)域，改變理論模型的口徑，使其逼近實(shí)際喇叭的仿真特性，減少計(jì)算誤差，我們采用此方法成功設(shè)計(jì)過(guò)Ka波段副瓣小于-30dB的天線。

5.2.2 偏置切割拋物面特性參數(shù)計(jì)算。建立計(jì)算坐標(biāo)系如圖1所示，拋物面焦點(diǎn)位于坐標(biāo)系XYZ的原點(diǎn)，那么其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，-f）。

復(fù)電場(chǎng)可表示為：

I=K exp+jkρ·dS

可以將復(fù)電場(chǎng)化為標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)，標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為繁瑣，這里從略。計(jì)算標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，是將積分化為求和進(jìn)行的，考慮到我們計(jì)算時(shí)的波長(zhǎng)約4mm，求和時(shí)xy方向的網(wǎng)格劃分小于1mm×1mm。

5.3 結(jié)構(gòu)要求 若采用鍛鋁進(jìn)行高速銑精密加工，拋物面形面誤差小于0.02。若用碳纖維復(fù)合材料制造，拋物面形面誤差小于0.05。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小于0.02），重量要輕。

5.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工 天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，故材料采用為碳纖維復(fù)合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。拋物面模具加工分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應(yīng)力消除），精加工成型為了保證拋物面形面，采用工裝夾具和數(shù)控加工。工裝夾具精度要求更高。天線外形尺寸700×100×140，重量約3kg。喇叭采用整體線切割成形。彎波導(dǎo)采用線切割焊接成型，最終通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)。若焊接不能保證電氣要求，就采用電鑄整體成形。

6 技術(shù)指標(biāo)

天線形式：上下布置的切割拋物面收發(fā)雙天線（收發(fā)可互換）；工作頻率范圍：80.GHz±800MHz；天線水平孔經(jīng)：約700mm；增益：≥45dB；副瓣電平：≤-25dBc（最好達(dá)-28dBc）；收發(fā)隔離度：≥30dB；極化：垂直/水平/圓；方位波束寬度：0.4°±0.02°；俯仰波束寬度：2.4°±0.1°；駐波：1.1：1；天線接口：WR12波導(dǎo)+UG387/u法蘭；收發(fā)饋線損耗：（1.5+1.5）dB；裝配要求：收發(fā)天線整體裝配，電軸保持一致；天線重量：盡可能輕；其它要求：有瞄準(zhǔn)鏡波束瞄準(zhǔn)裝置，有調(diào)平裝置，保證方位掃描時(shí)天線俯仰指向不變，溫度變化時(shí)天線性能不發(fā)生明顯變化。

7 應(yīng)用前景

本系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)場(chǎng)和航空母艦跑道監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)用研制的，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)幾乎所有的機(jī)場(chǎng)在飛機(jī)起降間隔內(nèi)，都是乘巡道車(chē)采用人工巡視的方法檢查跑道上有多類似于螺釘?shù)日系K物的，毫無(wú)疑問(wèn)，這將費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且可靠性也不會(huì)高。英國(guó)QinetiQ公司2006年開(kāi)發(fā)出外來(lái)物體碎片（FOD）（Foreign Object Debris）自動(dòng)檢測(cè)儀Tarsier，可以替代人工進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)視。據(jù)消息國(guó)內(nèi)已有機(jī)構(gòu)在開(kāi)發(fā)類似的收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理器作為配套的天線系統(tǒng)，無(wú)疑有著廣闊的市場(chǎng)前景。團(tuán)隊(duì)擁有Ansoft公司的HFSS軟件及天線設(shè)計(jì)程序包，有工程經(jīng)驗(yàn)豐富的天線專業(yè)設(shè)計(jì)師，完全可以自主設(shè)計(jì)天線。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工：①喇叭加工采用整體線切割成形。彎波導(dǎo)采用線切割焊接成型，最終通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)。②加工天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，拋物面形面誤差小于0.1，為了保證精度，提高模具精度，采取嚴(yán)格工藝方法。材料和膠選擇上嚴(yán)格把關(guān)，可以保障天線精度。碳纖維復(fù)合材料天線重量更輕，環(huán)境影響更小，適應(yīng)大批量生產(chǎn)。故材料采用為碳纖維復(fù)合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。拋物面模具加工要求比較高，模具分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應(yīng)力消除），精加工成型。為了保證模具拋物面形面，正確選擇工裝夾具和數(shù)控加工。若用碳纖維復(fù)合材料制造，拋物面形面誤差小于0.10。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小于0.02），③調(diào)試設(shè)備和儀表與081總廠和電子科大合作。而波束寬度窄，轉(zhuǎn)臺(tái)精度高，沒(méi)有合適轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)試工裝自己制造。④天線架子加工。天線架子采用鋁板加工，保證安裝加工精度。天線與安裝架子精度靠銷(xiāo)子定位，同時(shí)用工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖2）。喇叭位置由架子定位孔安裝，同時(shí)用工裝檢驗(yàn)。最終通過(guò)調(diào)試決定。瞄準(zhǔn)鏡跟據(jù)天線電氣固定。天線架子高約600mm，安裝喇叭隔板長(zhǎng)約510mm。安裝天線支架底板為320×320mm?？傊亓考s20kg。

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作者簡(jiǎn)介：徐志剛（1962-），男，福建浦城人，本科，副教授，研究方向：電子信息。