一種Ka頻段多波束天線的工程實現

李 勇，李文計

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.武警河北總隊司令部，河北石家莊050051)

0 引言

飛行器在近空間飛行時，機體四周將形成一定厚度的電離氣體層，稱之為“等離子鞘套”。等離子鞘套的形成，使無線電波通過等離子體傳播時引起衰減，嚴重時會造成無線電信號中斷，此現象稱為“黑障”。關于“黑障”技術問題的研究，國內外進行了大量的研究，目前公認最有效的解決途徑是提高無線電波頻率克服“黑障”。考慮到元器件的成熟度和設備成本，當前各國基本選擇Ka頻段作為工作頻段［1-3］。

工作頻段的提高導致測控系統天線設備的波束變窄，對于近地高動態目標的捕獲將更加困難。所以，研究一種具有寬角波束覆蓋的高性能測控天線是急需要解決的一個問題。多波束反射面天線單個波束可以實現較高的天線性能，同時產生的多個波束又可以覆蓋更大的空域，實現寬角波束覆蓋，是非常適合這一應用。本文設計了一種多波束天線，天線的基本性能要求如下:

① 工作頻率:27～28.5 GHz;

②天線主波束增益≥57 dB(F0=28 GHz);

③ 波束覆蓋范圍:±1.5°;

④偏焦損失≤3 dB。

1 天線模型及參數設計

1.1 天線反射面設計

按照天線的工作頻段和天線增益的要求，天線口徑選擇為3.7 m。考慮到將來工程實際中天線需要兼容S頻段應用，天線形式確定為卡塞格倫形式。

3.7 m天線的主要參數如下:

天線主反射面直徑:D=3 700 mm;

天線副反射面直徑:d=900 mm;

拋物面焦距:F=1 480 mm;

照射副面半張角:θm=37°;

照射主面半張角:Ψm=64°。

1.2 饋源陣列設計

圖1 多波束饋源布陣圖

偏饋饋源采用隔板移相器實現圓極化，由于饋源排布密集，空間狹小，不能實現雙極化。所以，根據應用需求保留右旋圓極化端口，另一個端口安裝吸收負載實現匹配。對于此類緊密排列的波導輻射陣列，采用在輻射口面加裝極化柵實現雙圓極化也不失為一種可行的辦法。但是極化柵的工作帶寬一般較窄，如何設計極化柵的布置方式及相關尺寸實現較好性能，以及如何控制極化柵實現極化切換都是需要仔細研究的問題。由于這些問題不是本樣機的主要驗證方向，所以放在后續的研究中進行完善。

另外，互耦效應是陣列天線設計中需要考慮的一個問題，單元間的互耦會對陣列的性能產生影響，會引起單元的阻抗特性及輻射方向圖的變化，尤其是對于密集布陣的饋源陣更需仔細研究。文獻［5］中使用HFSS分析了喇叭陣列接收時的波束互耦情況。從分析結果來看用多喇叭陣列接收引起的S21參數的變化小于3.36，所以文獻認為為采用波導輻射的多波束天線的互耦影響較小。

2 仿真結果

為了驗證波束覆蓋范圍，利用物理光學算法對編號為1～7的7個饋源和中心波束的方向圖進行了仿真，圖2為天線方向圖仿真結果。從計算結果來看，波束可以覆蓋±1.6°位置，能夠滿足實現±1.5°波束覆蓋的要求。而且偏焦波束與主波束的最大增益差為1.6 dB，符合偏焦損失≤3 dB的設計需求。

圖2 方位面天線方向圖

利用物理光學算法對每個饋源的三維方向圖進行了仿真計算。用程序提取每個波束的增益等高線并投影到平面上。圖3是5 dB波束寬度覆蓋效果圖。可以看出，多波束天線可以在±1.6°空域基本實現全覆蓋。

圖3 5 dB波束寬度覆蓋示意圖

天線波束隔離會對多波束天線的功能實現有較大影響。此天線的跟蹤模式為開環引導加閉環跟蹤模式。跟蹤目標處于偏饋波束覆蓋區域時，數據處理設備通過比較臨近波束接收信號的強度確定信號最強波束的位置。然后，按照先前標定的波束相對位置關系，逐步引導天線的中心波束對準目標，在滿足閉環條件時啟動閉環跟蹤，使天線穩定對準目標。采用此種跟蹤模式后，某一個波束的旁瓣增益只要不高于臨近波束對應點的增益就不會引起數據處理設備的誤判。從圖2的計算結果來看，所設計天線波束隔離滿足此要求。

3 工程實現

利用3.7 m卡塞格倫天線和伺服控制系統搭建了Ka頻段多波束天線原理樣機，如圖4所示。

圖4 Ka頻段多波束天線原理樣機

對Ka頻段多波束天線原理樣機進行了測試，測試結果如表1所示。圖5為方位面天線方向圖測試結果，圖形利用各波束接收的絕對電平繪制。

表1 Ka頻段多波束天線測試結果

圖5 Ka頻段多波束天線測試方向圖

各波束的方向圖基本符合仿真結果，波束互耦影響不大，但是，各波束接收電平變化趨勢與仿真結果有一定差別。為了消除射頻信道對天線增益測試的影響，波束增益采用方向圖法進行了核算，其核算公式為:

G=10 lg(27 000/［AZ3*EL3］);

式中:

AZ3——方位3 dB波束寬度(·);

EL3——俯仰3 dB波束寬度(·);

G——待測波束增益(dBi)。

增益的測試和仿真分析結果如圖6所示。

圖6 Ka頻段多波束天線增益測試結果

從計算結果來看，考慮測試誤差，波束增益的變化基本符合仿真結果。隨后，對天線后端射頻信道進行了測試發現各饋源對應的射頻信道增益一致性不太好，導致測試結果產生了較大的偏差。綜合來看，樣機的各項性能滿足設計預期。

此外，原理樣機與數據處理分系統配合進行了高動態跟蹤、跑車等相關驗證試驗，跟蹤效果良好，達到了預期效果

4 結束語

通過原理樣機的測試表明利用多波束天線實現空間寬角波束覆蓋是切實可行的。而且，在與數據處理分系統配合進行的相關驗證試驗表明此天線體制是完全適合近地高動態目標的捕獲測控，此樣機的研制成功，為后續的工程實施提供了良好的設計基礎和工程經驗。

［1］ 柴霖.臨近空間飛行器測控與信息傳輸系統頻段選擇［J］.航空學報，2008，7:1007-1012.

［2］ 申志強，孟令杰.臨近空間高超聲速飛行器測控通信的需求及策略分析［J］.航天電子對抗，2010，2:31-34.

［3］ 劉嘉興.發展Ka頻段測控通信系統的思考［J］.宇航學報，2008，11:1685-1688.

［4］ 李保明，王玉峰.一種高增益多波束反射面天線設計［J］.通信對抗，2010，4:51-54.

［5］ 郭艷玲.均勻多波束分區透鏡天線研究［D］.電子科技大學碩士學位論文，2009:55-58.