圓極化／雙極化四喇叭單脈沖饋源設計

孫 浩

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

隨著飛機、導彈、火箭、人造衛星等技術的發展，對跟蹤雷達的跟蹤速度、跟蹤精度和跟蹤距離都提出越來越高的要求，特別是對高速目標在各種極化類型及氣候情況下的跟蹤測量的要求。近年來，特別是電子戰技術的發展，單一線極化工作方式的雷達已經不能滿足天線系統在復雜環境下的工作要求，雙極化、圓極化跟蹤天線可以更好地適應復雜的工作環境，具有廣泛的應用前景。四喇叭單脈沖饋源的工作原理如圖1所示。

沿軸線接收的目標信號全部進入和支路，而方位差和俯仰差通道信號基本對消。在略高或略低于軸線時，目標接收的信號將在俯仰端輸出一不平衡信號，同樣，任何一個方位上的誤差都會在方位端輸出一不平衡信號。在每種情況下信號幅度與相位誤差分量成正比，在幅度比較的同時再通過相位比較可以判斷出目標所在的位置，從而完成目標跟蹤［1］。

圖1 四饋源單脈沖天線工作原理

1 圓極化四喇叭單脈沖饋源設計

圓極化四喇叭單脈沖饋源采用結構緊湊、體積小、便于加工的隔板圓極化器來實現，如圖2所示。當圓極化波穿過隔板圓極化器到達另一邊，隔板將完成TE10模的電場旋轉±90°，并提供TE01模90°的相位延時，如圖2所示。這樣左右旋圓極化電磁波通過隔板后將會轉化為線極化，以實現圓線極化轉換的過程，原理如圖3所示。

圖2 隔板圓極化器結構示意圖和端口定義

圖3 圓極化－線極化轉換原理圖

通過對隔板圓極化器S參數的分析可以推導出影響隔板圓極化器隔離與軸比特性的因素，為仿真設計提供指導和參考，在隔板圓極化器S參數矩陣中，由結構對稱、場型特點以及無耗網絡的幺正特性可以推出：s11＝s22，又由隔板圓極化器自身特點可理想地認為：

得出：

從而得出：

由式（1）可以得出：盡量減小公共端反射系數才能提高端口隔離。

影響隔板圓極化器軸比的主要有2個因素：（1）s13和s14幅度不一致；

（2）s13和s14相位差偏離90°。

由s13和s14幅度不一致產生的軸比為：

由s13和s14相位差偏離90°產生的軸比為：

工程上近似認為隔板圓極化軸比為：Ra＝（Ra1＋Ra2）。由分析可得：如果使s13和s14相位差偏離90°時，Ra2＝0，軸比Ra＝Ra1。為提高天線軸比性能，應盡量減小公共端反射系數。

通過全波分析方法對模型（見圖4）進行了仿真優化，實現了優良的單脈沖天線性能和良好的圓極化軸比［2－3］。由仿真結果（見圖5～圖9）可以看出，天線在整個要求的頻帶內駐波比≤1.14，隔離度＞20dB，天線零深＜－30dB，軸比＜1.1dB，交叉極化電平＜－25dB。

圖5 饋源駐波曲線圖

圖6 饋源左右旋圓極化隔離

圖7 饋源和差方向圖及交叉極化電平

2 雙極化四喇叭單脈沖饋源設計

圖10給出了正交模耦合器（OMT）的原理示意圖，其主要工作原理是利用電磁波極化的正交性，將公共端正交的電磁波分離開來或將兩正交極化的電磁波由一公共端發射出去［4－6］。

矩形波導中 TEmn的截止波長［7，8］：

圖8 饋源軸比曲線

圖9 饋源軸比方向圖

圖10 正交模耦合器原理圖

式中：a為矩形波導寬邊長；b為矩形波導窄邊高。

公共端一般采用方波導或圓波導，本文采用方波導虛擬對稱結構的膜片正交模耦合器（OMT）。為了保證只傳輸TE10和TE01模，而不傳輸TE11和TM11，需公共端方波導邊長a滿足：

同樣膜片對極化方式與膜片平行的電磁波的衰減量為：

式中：a為衰減常數；l為膜片長度。

通過全波分析方法對模型（見圖11）仿真優化，實現了優良的單脈沖天線性能和良好的極化隔離。

由仿真結果（圖12～圖14）可以看出，天線在整個要求的頻帶內駐波比≤1.45，隔離度＞48dB，天線零深＜－30dB，交叉極化電平＜－25dB。

3 單脈沖饋源饋電網絡設計

圖11 雙極化四喇叭單脈沖饋源仿真模型

圖12 饋源駐波曲線

圖13 饋源極化隔離曲線

圖14 饋源和差方向圖及交叉極化電平曲線

在單脈沖雷達工作體制中，為形成單脈沖測距、測角的和差波束，高性能的和差饋電網絡設計也變得尤為重要。本文設計的單脈沖天線饋電網絡使用波導和差比較器，共由4個魔T組成，其示意圖如圖15所示［7，9］。在天線工作的頻段上，和差比較器通常應符合下列要求：

圖15 四魔T單脈沖和差比較器原理圖

（1）端口駐波要盡可能小，特別是和路端口，一般要求各端口駐波比≤1.25；

（2）和端口到各輸出端之間的信號傳輸應等幅同相，幅度偏差應≤0.2dB，相位偏差應≤3°；

（3）差端口與各個輸出端之間傳輸應等幅反相，幅度偏差≤0.2dB，相位偏差應≤3°；

（4）和端口與差端口相互隔離，隔離度應盡量大，不小于30dB。

在進行結構設計時，通過使用折疊E－T和折疊H－T大大減小了和差比較器的體積。通過全波分析軟件優化仿真，得到了理想的和差比較器的性能。性能曲線如圖16所示。

圖17～圖20分別給出了和差比較器的各項指標，通過曲線可以看出：和差比較器各端口駐波比≤1.25；和端口到各輸出端口幅度起伏≤0.2dB；相位偏差≤0.3°；和差端口隔離度＞40dB。

圖16 單脈沖和差比較器仿真模型

圖17 和差比較器駐波曲線圖

圖18 和差比較器幅度一致性曲線

圖19 和差比較器相位比較

4 結束語

圖20 和差比較器極化隔離曲線

單脈沖跟蹤天線的跟蹤精度高，圓極化、雙極化跟蹤天線可以滿足系統在較復雜工作環境下的工作需求，提高天線在特定電磁環境下的性能，具有較廣泛的應用前景。隔板圓極化器可以同時實現左右旋圓極化變換，結構緊湊，加工方便，并且電性能指標也比較理想；正交模耦合器可以實現極化分離，在雙極化和變極化系統中應用比較廣泛；性能優良的單脈沖和差比較器是實現單脈沖雷達測距、測角的關鍵。本文所設計仿真的圓極化、雙極化四喇叭單脈沖天線以及單脈沖和差比較器性能優良，各項指標均能滿足設計要求，具有廣泛的應用前景。

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