X波段寬帶正交雙線極化天線設計

楊亞兵 趙迎超 李緒平 姜世波 湯 暢

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在現代信息化、立體化戰爭中，隨著防空技術和地(空)對空武器裝備的發展，戰機的作戰環境正變得越來越嚴峻，其先天優勢正面臨著前所未有的挑戰。如何有效地提高我軍主戰戰機在日益復雜電磁環境下編隊突防和生存能力，具有至關重要的現實意義［1］。航空電子技術與武器裝備體系中，機載雷達干擾機系統可以對地面或者空中威脅雷達實施有源電子干擾，降低敵方武器系統效能，以實現有源自衛，達到提高載機自身戰場生存能力的目的［2-3］。

某型雷達干擾機天線用于X波段機載雷達干擾機系統。由于特殊的應用對象及使用環境，該干擾機系統對天線性能有特定要求。首先，干擾目標為X波段敵方雷達，屬于非合作、非友好目標，其電磁波頻率與極化方式未知，所以干擾機天線應具有寬頻帶、雙線極化特性，對該頻段敵方水平極化或者垂直極化雷達均能實施有效干擾;其次，敵方雷達具體方位未知，干擾機天線波束要求能夠覆蓋一定的空域范圍;最后，機載干擾機天線必須適應載機特殊的工作環境條件，沖擊、振動、高低溫等環境適應性特性應優良。

為了滿足系統對干擾機天線特定的性能要求，天線電氣性能必須具有X波段全頻段的正交雙線極化特性，且結構設計應盡可能采用金屬腔體形式。基于對稱五端口分支形式的正交模耦合器(OMT)，本文提出了一種新型寬帶正交雙線極化喇叭天線。在理論分析與仿真設計的基礎上，加工了天線工程樣機并進行了實際調試與測試工作。驗證試驗結果表明，在所要求的工作頻段內該天線具有優良電氣與結構特性，可用于機載雷達干擾機系統。

1 理論分析與仿真設計

1.1 方案設計

考慮到工作帶寬、極化方式以及結構強度等方面的實際要求，采用角錐喇叭形式進行設計。

調整角錐喇叭的開口結構尺寸可保證天線特定覆蓋空域的增益要求。為了實現雙端口正交雙線極化特性，在同一頻率上使用極化方式不同且相互隔離的通道，就要采用正交模耦合器［4-5］。正交模耦合器(OMT)為三端口網絡，其可鑒別公共端口上兩個正交主模的獨立信號并將它們供給單一信號端口，使所有端口匹配且在兩個單一信號端口之間具有高的極化鑒別能力。圖1所示為天線設計方案示意圖。

圖1 設計方案示意圖

1.2 正交模耦合器設計

天線工作于X波段全頻段，為了滿足設計要求并保留一定的設計余量，就需要采用帶寬大于40%的正交模耦合器。但是，常規設計的正交模耦合器帶寬只有10%～15%。

正交模耦合器寬帶化設計的關鍵是公共波導中分支結構的設計，因為公共波導內易激勵高次模而制約工作帶寬。經分析認為，如果分支結構相對于兩個主模都是對稱的，這樣就不易激勵出高次模，一定程度上抑制了高次模的產生或者使其凋落。為了實現對稱性要求，本設計提出了具有雙接頭形式的對稱五端口分支結構，如圖2所示。

圖2 對稱五端口分支結構示意圖

圖2中，控制正交極化信號(TE10和TE01)的公共方波導端口直接正對縱向雙接頭，該接頭有波導橫截面端口P1和P2。第二個雙接頭提供端口P3和P4，該接頭由一對分別位于分支段側壁的E面T組成。五端口分支內部的隔板和側壁分支端口處的感性金屬柱是影響帶寬和模式匹配的關鍵。側壁雙接頭端口的寬帶匹配是通過在分支區域內臺階金屬隔板實現的。通過調整隔板的臺階數量和尺寸，可以達到匹配。隔板與側壁連接并將縱向雙接頭分隔成端口P1和P2。縱向雙接頭的匹配是通過位于側壁雙接頭端口處的電感柱來實現。

由于P1～P4每個端口的能量為其對應主模能量的一半，因此必須采用功率合成器組合，以便在總端口上提供給定極化總的信號能量。縱向雙接頭端口P1和P2與圖3中功率合成器A連接實現極化分離后模式TE10的兩路信號分量的合成。側壁雙接頭端口P3和P4與圖4中功率合成器B連接實現極化分離后模式TE01的兩路信號分量的合成。

圖3 功率合成器A

根據上述設計分析，將對稱五端口分支結構、功率合成器1以及功率合成器2組合得到完整設計的正交模耦合器，如圖5所示。

圖4 功率合成器B

圖5 正交模耦合器示意圖

利用Ansoft HFSS軟件對所設計的正交模耦合器進行了仿真優化，圖6～圖8給出了電性能仿真結果。由仿真結果可以看出，在所要求的工作頻段內，兩個正交極化端口電壓駐波比小于1.4，端口隔離度優于66dB，插入損耗小于0.15dB。

圖6 正交模耦合器端口仿真電壓駐波比

1.3 雙極化喇叭設計

在正交模耦合器設計完成以后，按照既定的設計方案設計了雙極化天線。所設計的天線模型如圖9所示。

圖7 正交模耦合器仿真端口隔離度

圖8 正交模耦合器仿真插入損耗

圖9 天線模型示意圖

利用軟件對該天線進行了仿真優化。圖10為工作頻段內電壓駐波比隨頻率變化曲線，圖11為兩正交極化端口隔離度隨頻率變化曲線。可見，所設計的天線具有優良的寬帶正交雙線極化特性。

2 實驗驗證與結果分析

在理論分析與仿真設計的基礎上，加工了天線工程樣機，如圖12所示。在微波暗室環境條件下對樣機進行了試驗驗證，主要包括電壓駐波比、極化端口隔離度以及輻射特性(方向圖和增益)等測試。

圖10 天線仿真電壓駐波比

圖11 天線仿真極化端口隔離度

圖12 天線樣機照片

由圖13和圖14實測結果可見，在所要求的工作頻段內，天線垂直極化端口電壓駐波比最大1.3，水平極化端口電壓駐波比最大1.8，兩極化端口隔離度優于50dB。實測結果與仿真結果略有差異，主要是由于加工精度、測試環境等隨機因素引起的。

圖13 天線實測電壓駐波比

圖14 天線實測極化端口隔離度

在微波暗室遠場條件下，對加工的天線樣機輻射特性進行了實測。圖15和圖16為垂直極化端口(Port1)饋電時，即垂直極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。

圖15 垂直極化俯仰面歸一化方向圖

圖17和圖18為水平極化端口(Port2)饋電時，即水平極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。而圖19為天線正交雙線極化的實測增益。

通過輻射特性實測結果可見，所設計的天線正交雙線極化輻射方向圖能夠滿足系統特定的波束覆蓋空域要求。兩種極化帶內增益穩定，且軸向增益差不超過0.5dB。因此，所設計的天線具有優良的輻射性能。

圖16 垂直極化方位面歸一化方向圖

圖17 水平極化俯仰面歸一化方向圖

圖18 水平極化方位面歸一化方向圖

3 結論

圖19 天線實測增益

本文介紹了一種可用于X波段機載雷達干擾機系統的喇叭天線，該天線具有X波段全頻段的正交雙線極化特性。設計中提出了一種基于對稱五端口分支形式的正交模耦合器，有效地保證了電氣性能。結構設計上，采用了金屬波導形式并在局部做了加強，提高了天線的環境適應性。在理論分析與仿真設計的基礎上，加工了天線工程樣機并進行了試驗驗證工作。驗證試驗結果表明，所設計的天線具有優良電氣與結構特性，可用于機載雷達干擾機系統。

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［2］王洪迅，盧楠，王紅衛等.有源無源復合干擾機理與效能分析［J］.火力與指揮控制.2012，37(6):43-46.

［3］王峰.轉發式彈載干擾機對抗技術研究［J］.中國電子科學研究院學報.2012，7(4):423-426.

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［5］王宏建，劉和光，范斌等.正交模耦合器的優化設計與分析［J］.兵工學報.2009，30(5):613-616.