閆 豐

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

自跟蹤天線應(yīng)用廣泛，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)角、測(cè)距、跟蹤等功能[1]，自跟蹤天線的主要實(shí)現(xiàn)型式有相控陣天線[2]、單脈沖天線[3,4]、圓錐掃描天線[5,6]等形式。上述傳統(tǒng)型式的自跟蹤天線頻帶寬度約20%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻帶跟蹤。

電子偵測(cè)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤、偵察，對(duì)于目標(biāo)的極化方式、運(yùn)動(dòng)軌跡、工作頻段等信息均是未知的，因此需要研制寬頻帶多極化的天線系統(tǒng)與之相適應(yīng)，寬帶自跟蹤饋源是天線系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文介紹了一種寬帶雙圓極化單脈沖自跟蹤饋源的設(shè)計(jì)方案，饋源采用六單元對(duì)數(shù)周期單極子型式從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性，波束形成網(wǎng)絡(luò)可形成左右旋圓極化和信號(hào)與差信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)寬帶單脈沖自跟蹤，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 組成與工作原理

單脈沖自跟蹤饋源包括六單元對(duì)數(shù)周期圓形陣照射器和波束形成網(wǎng)絡(luò)兩部分，圖1為其原理框圖。照射器接收到電磁波信號(hào)后，六路信號(hào)經(jīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)左、右旋圓極化和、差共計(jì)4路信號(hào)的輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)單脈沖跟蹤接收機(jī)便可實(shí)現(xiàn)單脈沖跟蹤。

圖1 單脈沖自跟蹤饋源原理框圖

圖2 單片陣子仿真模型

2 輻射器設(shè)計(jì)

照射器采用六單元對(duì)數(shù)周期圓形陣的型式，如圖1左圖所示，照射器六個(gè)單元成錐形排布，關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸Z軸對(duì)稱分別，相鄰的單元之間空間夾角為60°。單元采用單極折合對(duì)周饋源，如圖2所示，該單元由N根折合振子周期性的平行排列在集合線上構(gòu)成，是經(jīng)典的非頻變天線形式之一。可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得幾乎不變的阻抗、方向圖和增益值，具有十分優(yōu)良的寬頻帶特性。饋電線和天線在一個(gè)印制板上，饋電線可從金屬反射板下方引出。

3 波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖3為波束形成網(wǎng)絡(luò)的原理框圖，波束形成網(wǎng)絡(luò)包括3dB 180°電橋、90°差分移相器、3dB 90°電橋、4.77dB 90°電橋等器件。

3dB 180°電橋：圖4為其示意圖，用于實(shí)現(xiàn)兩路輸入信號(hào)的和與差。幅相關(guān)系為如下：Σ口為IN1功率1/2，相位0°，IN2功率1/2，相位180°；Δ口：IN1功率1/2，相位0°；IN2功率1/2，相位0°。

圖3 波束形成網(wǎng)絡(luò)原理框圖

圖4 3dB 180°電橋示意圖

90°差分移相器：圖中的0°、90°加工在一起即為90°移相器，兩者是分離的兩個(gè)印制板，如圖5所示。信號(hào)經(jīng)左側(cè)印制板傳輸后，移相量為Ф(f)，經(jīng)右側(cè)印制板移相后，移相量為Ф(f)+90°，功率值不變。

圖5 90°差分移相器

3dB 90°電橋：交叉通道移向90°、直通通道不移相，功率值均為1/2；

4.77dB 90°電橋：原理結(jié)構(gòu)與3dB電橋一致，僅耦合量不同。交叉通道移向90°，功率為1/3；直通通道不移相，功率值為2/3；

設(shè)各單元接收的信號(hào)為Ei(i=1，2，3，4，5，6)，∑R、∑L、ΔR、ΔL四個(gè)端口接收的信號(hào)強(qiáng)度為各單元陣子的1/6，相位關(guān)系值見(jiàn)表1，由表1可看出右旋和端口各陣子間相位差為+60°，左旋和端口各陣子間相位差為-60°，右旋差端口各陣子間相位差為-120°，左旋差端口各陣子間相位差為+120°。

表1 饋源各端口與陣子間相位關(guān)系表

以E2→∑L為例，推導(dǎo)幅度相位關(guān)系：

通道1：相位180°+90°+0°+90°+90°=90°，幅度1/2×1×1/2×1/3×1/2=1/24；

通道2：相位180°+90°+90°+0°=0°，幅度1/2×1×1/2×1/2=1/8。

合成相位為：

其余各端口推導(dǎo)方法一樣，這里不在詳述。

4 測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)了一個(gè)跟蹤頻段2GHz～4GHz寬帶單脈沖自跟蹤饋源，跟蹤帶寬達(dá)到倍頻程。

該饋源應(yīng)用于某固定站9m前饋拋物面天線，天線系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后對(duì)同步衛(wèi)星測(cè)試了天線和差方向圖。圖6為接收93.5°E衛(wèi)星的天線和差方向圖，信標(biāo)頻率2.2425GHz，右旋圓極化；圖7為接收62°E衛(wèi)星的天線和差方向圖，信標(biāo)頻率3.9525GHz，右旋圓極化。

圖6 天線和差方向圖(93.5°E)

圖7 天線和差方向圖(62°E)

天線進(jìn)行了多次跟星試驗(yàn)，跟蹤衛(wèi)星有HAIYANG 2A、HAIYANG 1B、FENGYUN 3B、HUANJING-1A、HUANJING-1B，天線跟蹤性能良好，圖8為跟蹤鎖定后的狀態(tài)截圖。

圖8 天線跟蹤鎖定的狀態(tài)截圖

5 總結(jié)

本文給出了一種寬帶雙圓極化單脈沖自跟蹤饋源設(shè)計(jì)方法，輻射器采用六單元對(duì)數(shù)周期圓形陣的型式可實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性，波束合成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)左右旋圓極化和差信號(hào)的生成。設(shè)計(jì)了一個(gè)跟蹤頻段2GHz～4GHz，倍頻程的單脈沖自跟蹤饋源 ，工程應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性，天線系統(tǒng)自跟蹤性能良好。

對(duì)數(shù)周期饋源可實(shí)現(xiàn)至少4倍頻的帶寬，但是受制于電橋、差分移相器的帶寬，本文提出的波束形成網(wǎng)絡(luò)僅可實(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶，如4倍頻以上，可在波束形成網(wǎng)絡(luò)前可增加分波器，將寬頻段分成多個(gè)倍頻程頻段，各自倍頻程內(nèi)的波束合成網(wǎng)絡(luò)采用本文提出的方案，即可實(shí)現(xiàn)更寬的跟蹤頻段。

[1] 胡體玲,李興國(guó),等. 單脈沖探測(cè)技術(shù)的發(fā)展綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(12)：24-29.

[2] 劉鍵.相控陣天線系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2014.

[3] 劉偉.Ka波段圓極化單脈沖天線[D].電子科技大學(xué),2008.

[4] 劉昊，孫向珍，張鳳林,等.X波段寬帶單通道單脈沖雙圓極化自跟蹤天饋系統(tǒng)的研究[J].遙測(cè)遙控,2007,28(增刊):163-167.

[5] 王俊義.一種寬帶圓錐掃描新技術(shù)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，1998，24(2)：33-35.

[6] 趙來(lái)定，李銳，謝繼東.一種圓錐掃描跟蹤技術(shù)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(4)：84-89.