(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信、遙控遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,以及對(duì)高速目標(biāo)在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測(cè)量的需要,單一線極化方式已遠(yuǎn)難滿足要求,圓極化天線的應(yīng)用就顯得十分重要。圓極化波具有抗云雨衰減、抗多徑衰減、可消除由電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變的影響等。因此,圓極化天線廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙感、天文及電視廣播等方面。

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,為了滿足對(duì)特定空域的覆蓋要求,常常需要對(duì)天線波束進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)。對(duì)于場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)而言,主要用于發(fā)現(xiàn)低空近地目標(biāo)和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo),而雷達(dá)假設(shè)的塔臺(tái)高度往往在20～150 m,因此對(duì)于天線俯仰面要求具有-37°～0°近似倒余割平方的波束覆蓋。

常見(jiàn)的圓極化天線有圓極化微帶貼片天線[1]、圓極化行波波導(dǎo)縫隙天線[2]、帶有寄生振子的圓極化波導(dǎo)縫隙天線[3]、圓極化徑向線縫隙天線[4]等。微帶天線效率較低、行波陣天線波束發(fā)生色散、帶寄生陣子的波導(dǎo)縫隙天線加工難度較大,徑向線縫隙天線口徑固定難以波束賦形。

本文介紹了一種Ku波段24×16單元圓極化波導(dǎo)縫隙平面天線陣設(shè)計(jì),其輻射縫隙采用縱向細(xì)長(zhǎng)縫隙耦合四脊方形喇叭,實(shí)現(xiàn)圓極化的性能[5]。為滿足波束覆蓋的要求,饋電網(wǎng)絡(luò)采用矩形波導(dǎo)窄邊耦合器結(jié)構(gòu)的功分網(wǎng)絡(luò)和配相波導(dǎo),采用幅相加權(quán)的方式,實(shí)現(xiàn)圓極化波導(dǎo)縫隙平面天線陣的波束賦形的性能。

該天線為波導(dǎo)縫隙駐波天線陣,具有波導(dǎo)駐波天線陣的效率高、波束指向統(tǒng)一等所有優(yōu)點(diǎn);整個(gè)天線采用成熟的縫隙波導(dǎo)天線加工工藝,材料單一,加工難度低、自身強(qiáng)度高、工作可靠。

1 圓極化輻射單元設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)天線陣的圓極化工作,輻射單元采用一種新形縱向細(xì)長(zhǎng)縫隙耦合四脊方形開(kāi)口波導(dǎo)的組合式輻射縫隙,細(xì)長(zhǎng)縫隙為矩形波導(dǎo)寬邊開(kāi)設(shè)的縱向直縫隙,細(xì)長(zhǎng)縫隙與四脊方形波導(dǎo)的對(duì)角線重合,輻射單元的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 圓極化輻射單元模場(chǎng)分布

矩形波導(dǎo)寬邊縱向細(xì)長(zhǎng)縫隙耦合激勵(lì)四脊方形開(kāi)口波導(dǎo),產(chǎn)生兩個(gè)正交模式TE01模和TE10模,調(diào)節(jié)四脊波導(dǎo)脊的高度,使兩個(gè)正交分量幅度相等。由于兩個(gè)模式傳輸?shù)南嗨俨煌?通過(guò)調(diào)節(jié)四脊方形開(kāi)口波導(dǎo)的長(zhǎng)度,使兩個(gè)等幅正交電磁分量在開(kāi)口波導(dǎo)輻射口面實(shí)現(xiàn)90°的相位差,從而實(shí)現(xiàn)圓極化性能。

2 線陣設(shè)計(jì)

采用上邊介紹的圓極化輻射單元,設(shè)計(jì)了圓極化波導(dǎo)縫隙天線線陣,選取線陣單元數(shù)為24,由兩級(jí)一分二功分器分為4個(gè)子陣,如圖2所示。整個(gè)陣面的設(shè)計(jì)是基于有限元方法的電磁分析商業(yè)軟件HFSS來(lái)完成的,天線單元導(dǎo)納與幾何參數(shù)提取與常規(guī)縫隙波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)方法相同[6],仿真設(shè)計(jì)的單根線陣典型結(jié)果如圖3所示。在3%工作頻帶內(nèi)天線軸比小于3.0 dB。

圖2 單根圓極化縫隙波導(dǎo)天線陣

圖3 單根圓極化縫隙波導(dǎo)天線陣軸比仿真結(jié)果

3 賦形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)天線陣俯仰面賦形波束的要求,擬采用幅度、相位加權(quán)的方式實(shí)現(xiàn)倒余割平方的波束方向圖,為了降低饋線損耗、降低加工難度,賦形網(wǎng)絡(luò)采用金屬波導(dǎo)形式,主要由矩形波導(dǎo)窄邊耦合器、配相波導(dǎo)和匹配負(fù)載組成。賦形網(wǎng)絡(luò)采用由波導(dǎo)窄邊耦合器組成的1∶16功分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。幅度分布由波導(dǎo)耦合器不同耦合度實(shí)現(xiàn),相位分布采用不等長(zhǎng)矩形波導(dǎo)和寬邊不同的矩形波導(dǎo)相結(jié)合的相位補(bǔ)償技術(shù)方案,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

采用上述的賦形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案,經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真,其結(jié)果表明,各輸出口之間的帶內(nèi)相對(duì)幅相偏差可控制在±0.2 dB/±1°以內(nèi)。

圖4 1∶16波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 配相波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

4 測(cè)試結(jié)果

最終設(shè)計(jì)完成的24×16單元的圓極化波導(dǎo)縫隙天線陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示,整個(gè)天線陣面分為6層結(jié)構(gòu),各層零件采取精密機(jī)械加工一次成型,多層板采取真空釬焊焊接技術(shù)。加工而成的實(shí)物照片如圖7所示。

圖6 24×16單元天線陣示意圖

圖7 24×16單元天線陣實(shí)物照片

在平面近場(chǎng)微波暗室內(nèi)對(duì)天線陣的各性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明該天線在15.9～16.5 GHz的設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于1.6,賦形波束覆蓋-40°～0°,軸向軸比優(yōu)于3.0 dB。

天線陣端口VSWR仿真與測(cè)試結(jié)果如圖8所示,結(jié)果顯示天線陣在15.8～17 GHz頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于2.0,與仿真結(jié)果很好吻合。

帶內(nèi)典型的方向圖仿真與測(cè)試結(jié)果如圖9所示,天線陣俯仰面方向圖賦形區(qū)域覆蓋-40°～0°,方位面方向圖最大副瓣電平優(yōu)于-12 dB,與仿真結(jié)果吻合很好。

圖8 24×16單元天線陣駐波測(cè)試曲線

圖9 24×16單元天線陣中頻波瓣測(cè)試結(jié)果

帶內(nèi)典型的軸比仿真與測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可以看出,在俯仰面內(nèi)其軸向軸比仿真和測(cè)試結(jié)果都小于1 d B,在-40°～0°賦形區(qū)域的范圍內(nèi),仿真結(jié)果小于4 dB,實(shí)測(cè)結(jié)果軸比小于6 d B;由圖10(b)可以看出,在方位面內(nèi)其軸向軸比仿真和測(cè)試結(jié)果都小于1 dB。

圖10 24×16單元天線陣中頻軸比測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種Ku波段24×16單元圓極化縫隙波導(dǎo)陣列天線的設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)圓極化工作,輻射單元采用新型縱向縫隙耦合四脊開(kāi)口波導(dǎo)形式;為了滿足賦形波束的要求,賦形網(wǎng)絡(luò)采取矩形波導(dǎo)窄邊耦合器與配相波導(dǎo)一體化加工設(shè)計(jì)技術(shù)手段。最終采用幅相加權(quán)實(shí)現(xiàn)了天線陣在3%的頻帶內(nèi),總口駐波小于1.6,俯仰面實(shí)現(xiàn)-40°～0°波束覆蓋,軸向軸比優(yōu)于3.0 dB。結(jié)果表明,這些技術(shù)措施十分有效,可用于同類型圓極化波導(dǎo)縫隙陣列天線的設(shè)計(jì)。

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