董 哲，吳 旭

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信技術的迅速發(fā)展，作為通信前端的天線在通信系統(tǒng)中的重要性越來越突出。在實際應用過程中，天線數(shù)量的不斷增加使得周圍的電磁環(huán)境日趨復雜，天線不可避免地會受到電磁環(huán)境的干擾，并對天線建設布站提出了更高的要求[1]。因此，需要研制一種能夠覆蓋各頻段的多功能頻率復用的天線，以減少天線建設數(shù)量，并有效降低建設成本。

本文介紹了一種P、L、S三頻段自跟蹤前饋組合饋源,應用于前饋拋物面天線系統(tǒng)。P、L頻段具有發(fā)射功能、S頻段能夠?qū)崿F(xiàn)單脈沖自跟蹤功能。饋源采用十字腔振子形式，通過網(wǎng)絡處理實現(xiàn)不同功能。P頻段采用單臂偶極子形式，L、S采用寬帶十字振子形式，利用頻率之間的差距結構上合理布局，合理控制間距實現(xiàn)天線的頻率復用。眾所周知單純的采用一個寬帶天線作為饋源天線效率必然會降低，因為寬帶饋源無法覆蓋到全頻段內(nèi)的饋源照射電子平和饋源照射角度。

本設計在天線效率方面優(yōu)于寬帶饋源，同時可以通過后端設備的處理實現(xiàn)自跟蹤、偵察和干擾功能。研制出的組合天線饋源樣機，在工程中進行應用驗證了設計的可行性。

1 饋源的組成和原理[2-6]

P頻段饋源采用4個單臂板線腔振子，4個單臂振子采用旋轉(zhuǎn)饋電形式進行饋電。由外腔體、內(nèi)腔體和4個單臂板線振子組成。4個單臂板線振子90°平均分布，4個振子在物理分布上相位差為90°，通過移向網(wǎng)絡合成實現(xiàn)腔振子的輻射特性，移相網(wǎng)絡和移相網(wǎng)絡原理圖如圖1所示。

圖1 移相網(wǎng)絡和移相網(wǎng)絡原理圖

移相網(wǎng)絡為兩個和差器與3dB耦合器的組合網(wǎng)絡，通過移相網(wǎng)絡之間的相位差來補償天線振子在物理空間的相位差從而實現(xiàn)網(wǎng)絡合成，形成具有單十字腔振子的輻射特性。

P頻段的內(nèi)腔體作為L、S頻段饋源的外腔體做為單脈沖自跟蹤饋源。饋源仿真示意圖如圖2所示。

圖2 L、S饋源仿真示意圖

中間單元采用寬帶十字振子，同時覆蓋L/S頻段，周圍4個振子作為S頻段單脈沖跟蹤振子形成差方向圖。

L、S和波束采用十字交叉振子形式，振子分為垂直和水平兩個分量，在物理空間分布相位差為90°，通過3dB耦合器將十字交叉振子合成左右旋圓極化饋源。L、S饋源和信號合成網(wǎng)絡原理如圖3所示。

圖3 L、S和信號饋源合成網(wǎng)絡原理圖

S頻段差信號采用4陣元形式，4個陣元十字交叉分布，兩兩振子分布的物理相位差為180°，饋源在安裝時與天線面的X軸和Y軸重合，通過相對陣元相減得到饋源的差方向圖，差波束形成網(wǎng)絡原理為振子1-1與3-1，振子1-2與3-2分別做減法，分別形成垂直和水平分量的差波束，再過差波束4功分圓極化器中內(nèi)置3dB定向耦合器最終形成方位左右旋圓極化差波束，振子2-1和4-1、振子2-2和4-2同樣可形成俯仰左右旋圓極化差波束。差波束形成網(wǎng)絡原理如圖4所示，差波束4功分圓極化器原理如圖5所示。

圖4 L、S和信號饋源合成網(wǎng)絡原理圖

P、L、S前饋自跟蹤組合饋源結構示意圖如圖6所示。

P、L、S前饋設計參數(shù)為：饋源外腔體直徑為600mm，腔體高度為90mm，內(nèi)腔體直徑為240mm，腔體高度為65mm。S頻段自跟蹤陣元間距為150mm約為中心頻點的1.1λ0。

圖5 S頻段差波束4功分圓極化器原理圖圖6 P、L、S前饋自跟蹤組合饋源結構示意圖

2 仿真結果分析

根據(jù)上述饋源的設計，對該天線進行了仿真分析。P頻段仿真結果如圖7、圖8所示。由仿真結果可以看出天線駐波帶寬能夠達到22%，在照射角為61°時照射電平為-18dB，這樣天線可以獲得較好的第一旁瓣特性。L、S和波束仿真結果如圖9、圖10、圖11所示。

圖7 P頻段饋源電壓駐波比仿真結果圖

圖8 P頻段饋源方向圖仿真結果圖

圖9 L、S頻段饋源電壓駐波比仿真結果圖

圖10 L頻段饋源和方向圖仿真結果圖

圖11 S頻段饋源和方向圖仿真結果圖

圖12 S頻段饋源差方向圖仿真結果圖

通過仿真結果可以看出，組合饋源在L、S頻帶內(nèi)有較好駐波特性帶內(nèi)駐波均小于2.5。L頻段饋源方向圖在61°照射角度內(nèi)照射電平在-8dB左右，根據(jù)設計經(jīng)驗當照射電平在-8dB～12dB時可以得到最優(yōu)的天線效率。但是隨著頻率的增加到S頻段天線照射電平會達到-20dB，雖然天線不能得到最優(yōu)的效率但是在S頻段會獲得較好的旁瓣特性。

對S頻段差波束進行仿真分析，仿真結果如圖12所示。仿真結果可以看出S頻段饋源差波束方向圖在照射角度內(nèi)具有良好的照射電平，差零深能夠達到-55dB，滿足自跟蹤的指標要求。

根據(jù)仿真結果，研制出組合饋源樣機，并對饋源進行了測試，安裝于天線面上實測方向與仿真結果基本一致。

3 結論

本文給出了一種多頻組合前饋饋源的設計方法，饋源采用腔振子原理進行設計，根據(jù)頻段跨度較大的特點，采用組合形式進行設計，充分利用空間復用技術，大大改善寬帶饋源不能在全頻段內(nèi)兼顧的缺點，提高天線的輻射效率。天線結構簡單容易實現(xiàn)，成本低廉性能良好。通過電磁仿真軟件分析，結果表明，該天線性能良好。并且在實際工程應用中驗證了設計的可行性，天線系統(tǒng)指標優(yōu)良。