一種彈載毫米波全極化單脈沖環焦反射面天線的設計

張華，翟龍軍，高山，曲洪東，3

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

一種彈載毫米波全極化單脈沖環焦反射面天線的設計

張華1，翟龍軍2a，高山2b，曲洪東2a，3

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

提出了一種彈載毫米波全極化環焦反射面天線的設計方案，設計了其結構參數，并對其電性能進行了仿真。仿真結果表明，提出的全極化環焦反射面天線的設計方案電性能參數合理，適用于在彈載環境下應用。

毫米波導引頭；環焦天線；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有衛星通信系統、雷達通信系統、WLAN通信系統等無線通信系統中被廣泛采用[1-3]。在實際應用方面圓極化天線具有以下優勢：任意的極化電磁波均可分解為2個旋向相反的圓極化波，如對于線極化波來說，可以分解為2個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，由于彈載雷達導引頭面臨的電磁對抗環境越來越嚴峻，亟待提高抗干擾能力。全極化彈載雷達導引頭由于可以發射和接收任意極化的電磁波，進而可以獲得單極化雷達所不能獲得的極化域信息，提高彈載雷達導引頭的抗干擾能力。因此，全極化彈載雷達導引頭特別是全極化彈載雷達天線受到了廣泛關注。環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、適于在彈載環境應用等優點而受到了重視[4-7]。

關于變極化天線，國內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，實現起來較為容易。對于雷達導引頭，不僅需要目標的距離，還要精確地知道目標的方位角信息，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，需要在設計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焦反射面天線的設計方案，設計了其結構參數，并對其電性能進行了仿真。

1 環焦反射面天線原理

環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，主反射面為旋轉拋物面，副反射面為旋轉橢圓，環焦反射面天線的基本原理如圖1所示。

圖1 環焦天線結構參數示意圖Fig.1 Diagram of configuration parameter for ring-focus reflector antenna

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

與其他對稱型雙反射面天線相比，環焦天線可以大大改善饋源遮擋和饋源端口駐波，且具有結構緊湊的優點，適合中小口徑天線（D/λ＜100）。環焦天線既可以單獨使用，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分布函數，大大提高了設計的靈活性。如與卡塞格倫天線相比，環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和較低VSWR的同時，將副瓣降低到一定的程度以及提高圓極化工作的收發隔離度。而對單脈沖環焦天線而言，副面的反轉作用，會直接影響差通道的差性能，主要體現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焦反射面天線設計

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 反射面特性參數計算

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。環焦天線主要參數如表1所示。

表1 環焦天線設計輸入參數及設計結果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、副面母線特性參數計算。根據拋物線、橢圓的極坐標和笛卡爾坐標定義，可以獲得主面母線、副面母線在XO′Z坐標系中的坐標值，如式（1）、（2）。

極坐標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。

主面母線上任意點極坐標(ρ,θ)與直角坐標(xm,zm)之間轉換關系為xm=ρsinθ，zm=ρcosθ。

極坐標系下副面母線方程為：

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

主、副面母線特性參數的計算結果如表2所示。

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

2.2 照射器設計

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，在單脈沖雷達中有廣泛地應用，多喇叭單脈沖饋源也基本基于五喇叭設計，饋電網絡較復雜，多模饋源在雙線極化條件下較難實現。對環焦天線，特別關心歸一化差斜率。通過仔細分析及優化設計可以得到，當用五喇叭形式的單脈沖饋源時，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饋源的影響的三喇叭單脈沖饋源照射環焦天線。

為實現全極化信號的發射和接收，饋源波導采用方波導，同時傳輸全極化電磁波的水平極化分量和垂直極化分量。在波導饋入端采用極化隔離器，在接收時分離水平極化分量和垂直極化分量，在發射時合成全極化電磁波信號。

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，中間的喇叭單獨形成和支路，左右2個喇叭通過魔T的合成形成差支路。

圖2 照射器模型Fig.2 Irradiator model

在HFSS中進行電磁場求解，得到仿真結果如下。

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，大部分頻帶范圍內的輸入反射系數S11都比較小（-20 dB左右）；在整個頻帶內，駐波都小于1.2。和波束的各頻點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驗公式

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頻帶內反射系數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 差波束各頻點二維方向圖Fig.10 2D patterns of difference beam at different frequency

3.2毫米波全極化環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 毫米波全極化環焦單脈沖天線模型Fig.11 3D model of ring-focus reflector mono-pulse antenna

在HFSS中進行電磁場求解，得到仿真結果如下。

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

由圖12和圖13可見，在整個頻帶，大部分頻帶內的反射系數都非常小；天線的駐波＜1.8，表現出良好的反射特性。

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

圖13 毫米波全極化環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 毫米波全極化環焦單脈沖天線各頻點二維方向圖Fig.15 2D pattern of ring-focus reflector mono-pulse antenna

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

由圖14～16可見，天線的相對帶寬為1.4%，天線工作于34.75GHz時，天線增益為35.24dB，波瓣寬度為2.3°；工作于35.0GHz時，天線增益為34.88dB，波瓣寬度為2.4°；工作于35.25GHz時，天線增益為34.86dB，波瓣寬度為2.5°，均滿足設計要求（2.2°±0.3°）。進一步仿真得到表3的結果。

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

4 結束語

本文提出了一種彈載毫米波全極化環焦反射面天線的設計方案，設計了其結構參數，并對其電性能進行了仿真。仿真結果表明，本文提出的全極化環焦反射面天線的設計方案電性能參數合理，適用于在彈載環境下應用。彈載毫米波全極化環焦反射面天線的關鍵在于變極化饋源，環焦天線實現多種變極化在理論上是可行的，但對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。在實際加工和測試過程中，對8mm波段的微波暗室測試，特別是多種極化方式的測試，還存在著一些問題，難于獲得準確的測試結果[10]。故對于變極化天線的測試，除在微波暗室進行遠場及近場測試外，還要用傳統的方式再進行外場測試，二者相結合，以便得到準確的結果。

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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作者簡介：張華（1977-），男，工程師，大學。