張華，翟龍軍，高山，曲洪東，3

（1.海軍駐蘭州地區(qū)軍事代表室，蘭州730070；2.海軍航空工程學(xué)院a.電子信息工程系；b.科研部，山東煙臺(tái)264001；3.陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載系，北京101123）

一種彈載毫米波全極化單脈沖環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)

張華1，翟龍軍2a，高山2b，曲洪東2a，3

（1.海軍駐蘭州地區(qū)軍事代表室，蘭州730070；2.海軍航空工程學(xué)院a.電子信息工程系；b.科研部，山東煙臺(tái)264001；3.陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載系，北京101123）

提出了一種彈載毫米波全極化環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其電性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，提出的全極化環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)方案電性能參數(shù)合理，適用于在彈載環(huán)境下應(yīng)用。

毫米波導(dǎo)引頭；環(huán)焦天線；單脈沖天線；全極化

全極化天線可以接收任意極化的電磁波，其輻射的圓極化波也能被任意極化的天線接收，因而全極化天線在現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)通信系統(tǒng)、WLAN通信系統(tǒng)等無線通信系統(tǒng)中被廣泛采用[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用方面圓極化天線具有以下優(yōu)勢(shì)：任意的極化電磁波均可分解為2個(gè)旋向相反的圓極化波，如對(duì)于線極化波來說，可以分解為2個(gè)反向等幅的圓極化波。因此，任意極化的電磁波均可被全極化天線接收，而全極化天線發(fā)射的電磁波則可被任意極化的天線接收。

近年來，由于彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭面臨的電磁對(duì)抗環(huán)境越來越嚴(yán)峻，亟待提高抗干擾能力。全極化彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭由于可以發(fā)射和接收任意極化的電磁波，進(jìn)而可以獲得單極化雷達(dá)所不能獲得的極化域信息，提高彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭的抗干擾能力。因此，全極化彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭特別是全極化彈載雷達(dá)天線受到了廣泛關(guān)注。環(huán)焦全極化反射面天線由于體積小、重量輕、饋電方式靈活、成本低、適于在彈載環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而受到了重視[4-7]。

關(guān)于變極化天線，國內(nèi)外資料上介紹的主要是L波段或X波段的變極化天線[8-9]。毫米波段因波長(zhǎng)較短，要求加工精度高。由于尺寸小，安裝空間有限，要取得成功有較大的難度。單通道的變極化天線功能單一，實(shí)現(xiàn)起來較為容易。對(duì)于雷達(dá)導(dǎo)引頭，不僅需要目標(biāo)的距離，還要精確地知道目標(biāo)的方位角信息，以便于精確跟蹤。單脈沖的變極化天線比單通道的天線難度大很多，需要在設(shè)計(jì)加工過程中克服和差矛盾，取得最佳的效果[7]。

本文提出了一種彈載毫米波全極化環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其電性能進(jìn)行了仿真。

1 環(huán)焦反射面天線原理

環(huán)焦反射面天線屬于雙反射面天線，由3部分組成：主反射體、副反射體和照射器（三喇叭饋源），其中，主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)橢圓，環(huán)焦反射面天線的基本原理如圖1所示。

圖1 環(huán)焦天線結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of configuration parameter for ring-focus reflector antenna

圖1中：O為饋源的相位中心，是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)，它位于環(huán)焦天線的對(duì)稱軸AA′上；BP是主鏡的母線，是以O(shè)′為焦點(diǎn)的拋物線，又是橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)；Dm是主反射面的直徑；Ds是副反射面的直徑。環(huán)焦天線是拋物線BP與副面母線MT所組成的復(fù)合體系統(tǒng)繞AA′軸旋轉(zhuǎn)而形成的，因而O′的軌跡為一圓環(huán)，故稱這種天線為環(huán)焦天線。

與其他對(duì)稱型雙反射面天線相比，環(huán)焦天線可以大大改善饋源遮擋和饋源端口駐波，且具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，適合中小口徑天線（D/λ＜100）。環(huán)焦天線既可以單獨(dú)使用，也可以作為相控陣天線的理想平面波饋電，通過雙反射面的方式可以給口徑面提供合適的口徑場(chǎng)分布函數(shù)，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性。如與卡塞格倫天線相比，環(huán)焦天線避免了饋源遮擋大于副面遮擋，在獲得較大口徑利用系數(shù)和較低VSWR的同時(shí)，將副瓣降低到一定的程度以及提高圓極化工作的收發(fā)隔離度。而對(duì)單脈沖環(huán)焦天線而言，副面的反轉(zhuǎn)作用，會(huì)直接影響差通道的差性能，主要體現(xiàn)在和差矛盾大和歸一化差斜率低。

2 彈載毫米波全極化單脈沖環(huán)焦反射面天線設(shè)計(jì)

考慮到天線工作波段為8mm，天線口徑受彈徑尺寸限制取為φ260mm。

2.1 反射面特性參數(shù)計(jì)算

2.1.1 副面口徑

為了獲得較好的近旁瓣性能，通常選擇DsDm≈0.1；這里選擇DsDm=0.123。由主面口徑Dm=260mm，可得副面口徑Ds≈32mm。環(huán)焦天線主要參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)焦天線設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)及設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.1 Design parameters and design result of ring-focus reflector antenna

2.1.2 副面邊緣照射電平

1）確定副面邊緣照射電平（即饋源照射電平）。對(duì)于中小口徑天線，通常選擇饋源口徑略小于副面口徑（本方案中饋源的口徑為28mm，而副面口徑的尺寸為32mm。），從而可以初步確定出饋源照射電平。

2）主、副面母線特性參數(shù)計(jì)算。根據(jù)拋物線、橢圓的極坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)定義，可以獲得主面母線、副面母線在XO′Z坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，如式（1）、（2）。

極坐標(biāo)系下主面母線方程為：

式（1）中：fm為主反射面母線焦距；θvm如圖1所示。

主面母線上任意點(diǎn)極坐標(biāo)(ρ,θ)與直角坐標(biāo)(xm,zm)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為xm=ρsinθ，zm=ρcosθ。

極坐標(biāo)系下副面母線方程為：

副面母線上任意點(diǎn)極坐標(biāo)(ρ,θ)與直角坐標(biāo)(xs,zs)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為：xs=ρsin(θ+θm)，zs=ρcos(θ+θm)。

主、副面母線特性參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 主面母線及副面母線的相關(guān)特性參數(shù)Tab.2 Generatrix parameters of main and secondary reflector

2.2 照射器設(shè)計(jì)

常用的單脈沖饋源有四喇叭、五喇叭、多喇叭、多模喇叭等幾種方式。四喇叭單脈沖饋源和差矛盾較大，五喇叭單脈沖饋源能夠使和差的分布比四喇叭好，在單脈沖雷達(dá)中有廣泛地應(yīng)用，多喇叭單脈沖饋源也基本基于五喇叭設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，多模饋源在雙線極化條件下較難實(shí)現(xiàn)。對(duì)環(huán)焦天線，特別關(guān)心歸一化差斜率。通過仔細(xì)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到，當(dāng)用五喇叭形式的單脈沖饋源時(shí)，2種雙反射面天線的差波束性能能保證基本相同。由于在此單脈沖雷達(dá)只需要合成方位差即可，因而照射器選用三喇叭形式的單脈沖饋源即可滿足要求。故在此采用能減小天線反射對(duì)饋源的影響的三喇叭單脈沖饋源照射環(huán)焦天線。

為實(shí)現(xiàn)全極化信號(hào)的發(fā)射和接收，饋源波導(dǎo)采用方波導(dǎo)，同時(shí)傳輸全極化電磁波的水平極化分量和垂直極化分量。在波導(dǎo)饋入端采用極化隔離器，在接收時(shí)分離水平極化分量和垂直極化分量，在發(fā)射時(shí)合成全極化電磁波信號(hào)。

3 建模及仿真分析

3.1 照射器建模及仿真分析

在HFSS中建立照射器模型見圖2。照射器為三喇叭饋源，中間的喇叭單獨(dú)形成和支路，左右2個(gè)喇叭通過魔T的合成形成差支路。

圖2 照射器模型Fig.2 Irradiator model

在HFSS中進(jìn)行電磁場(chǎng)求解，得到仿真結(jié)果如下。

1）和支路。和支路回波損耗曲線如圖3所示。和支路駐波曲線如圖4所示。由圖3和圖4可見，大部分頻帶范圍內(nèi)的輸入反射系數(shù)S11都比較?。?20 dB左右）；在整個(gè)頻帶內(nèi)，駐波都小于1.2。和波束的各頻點(diǎn)三維方向圖和二維方向圖分別如圖5和圖6所示。

圖3 和支路的回波損耗曲線Fig.3 Return loss of ∑ channel

圖4 和支路的駐波曲線Fig.4 VSWR of ∑ channel

圖5 和波束三維方向圖Fig.5 3D pattern of sum beam

圖6 和波束各頻點(diǎn)二維方向圖Fig.6 2D patterns of sum beam at different frequency

由圖5和圖6可見，和支路方向圖10 dB波束寬度基本滿足西爾弗經(jīng)驗(yàn)公式

2）差支路。差支路回波損耗曲線如圖7所示。和支路駐波曲線見圖8。由圖7和圖8可見，差支路回波損耗在整個(gè)頻帶內(nèi)反射系數(shù)S11在-13.5～-15.5 dB之間，駐波比＜1.6。由圖9、圖10可見，差波束零深在-27～-29 dB左右。

圖7 差支路的回波損耗曲線Fig.7 Return loss of Δ channel

圖8 差支路的駐波曲線Fig.8 VSWR of Δ channel

圖9 差波束三維方向圖Fig.5 3D pattern of differece beam

圖10 差波束各頻點(diǎn)二維方向圖Fig.10 2D patterns of difference beam at different frequency

3.2毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線建模及仿真

在HFSS中建立照射器模型如圖11所示。

圖11 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線模型Fig.11 3D model of ring-focus reflector mono-pulse antenna

在HFSS中進(jìn)行電磁場(chǎng)求解，得到仿真結(jié)果如下。

毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線在只有和支路的情況下，輸入反射系數(shù)S11曲線和駐波分別如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可見，在整個(gè)頻帶，大部分頻帶內(nèi)的反射系數(shù)都非常??；天線的駐波＜1.8，表現(xiàn)出良好的反射特性。

毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線的三維方向圖、二維方向圖和交叉極化分別如圖14～16所示。

圖12 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線反射系數(shù)Fig.12 Reflecttion coefficient of ring-focus reflector mono-pulse antenna

圖13 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線駐波比Fig.13 VSWR of ring-focus reflector mono-pulse antenna

圖14 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線三維方向圖Fig.14 3D pattern of ring-focus reflector mono-pulse antenna

圖15 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線各頻點(diǎn)二維方向圖Fig.15 2D pattern of ring-focus reflector mono-pulse antenna

圖16 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線各頻點(diǎn)交叉極化Fig.16 Cross polarization of ring-focus reflector mono-pulse antenna at different frequency

由圖14～16可見，天線的相對(duì)帶寬為1.4%，天線工作于34.75GHz時(shí)，天線增益為35.24dB，波瓣寬度為2.3°；工作于35.0GHz時(shí)，天線增益為34.88dB，波瓣寬度為2.4°；工作于35.25GHz時(shí)，天線增益為34.86dB，波瓣寬度為2.5°，均滿足設(shè)計(jì)要求（2.2°±0.3°）。進(jìn)一步仿真得到表3的結(jié)果。

表3 毫米波全極化環(huán)焦單脈沖天線仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of ring-focus reflector mono-pulse antenna

4 結(jié)束語

本文提出了一種彈載毫米波全極化環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其電性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，本文提出的全極化環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)方案電性能參數(shù)合理，適用于在彈載環(huán)境下應(yīng)用。彈載毫米波全極化環(huán)焦反射面天線的關(guān)鍵在于變極化饋源，環(huán)焦天線實(shí)現(xiàn)多種變極化在理論上是可行的，但對(duì)變極化的饋源形式及變極化器的連接方式存在一定的困難。在實(shí)際加工和測(cè)試過程中，對(duì)8mm波段的微波暗室測(cè)試，特別是多種極化方式的測(cè)試，還存在著一些問題，難于獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果[10]。故對(duì)于變極化天線的測(cè)試，除在微波暗室進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)及近場(chǎng)測(cè)試外，還要用傳統(tǒng)的方式再進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試，二者相結(jié)合，以便得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

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Design of A Novel Ring-Focus Reflector Single Pulse Warhead With Full-Polarization for MMW Radar Seeker

ZHANG Hua1,ZHAI Long-jun2a,GAO Shan2b,QU Hong-dong2a,3
（1.Military Representatives Office of Navy in Lanzhou,Lanzhou 730070,China; 2.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Electronic and Information Engineering；b.Department of Scientific Research,Yantai Shandong 264001,China; 3.Department of Airborne Weapon,Army Aviation Academy,Beijing 101123,China）

A novel design scheme of ring-focus reflector single pulse warhead with full-polarization for MMW radar seeker was presented.The physical parameters of the warhead were calculated and its electrical performance was simulated and analyzed.Simulation results showed that the warhead had appropriate performance and could be used in MMW radar seek?er.

MMW radar seeker;ring-focus reflector antenna;single pulse warhead;full-polarization

TN823.27；TP271.62

A

1673-1522（2014）05-0429-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.05.007

2014-06-01；

2014-07-28作者簡(jiǎn)介：張華（1977-），男，工程師，大學(xué)。