X波段雙口雙模單脈沖雷達饋源的分析與設計

周增廣，王 建，邵 凱，汪 波

(1.電子科技大學電子工程學院， 成都611731;2.四川電子軍工集團研究院， 成都611731)

0 引言

對單脈沖體制的雷達而言，天線的性能直接決定著該雷達的測角精度和跟蹤精度，而饋源又是天線的重要組成部分［1］，其特性決定了單脈沖天線的性能指標。饋源的作用是產生和、差波束，用于跟蹤系統，其基本原理是利用和波束探測目標的距離與進行距離跟蹤，利用差波束探測目標的方位角與俯仰角信息進行角跟蹤［2］。利用多模饋源可以有效地解決單脈沖天線的和差矛盾，使天線的照射效率和泄露效率同時有所改善。多模饋源有很多種形式，較常見的有七模饋源、五模饋源、四模饋源、三模饋源。文獻［3］設計了一種帶寬為10%的X波段單脈沖雷達饋源，具體分析了其工作原理，并給出了仿真結果以及實測結果;文獻［4］從理論上更加詳細地描述了和、差(俯仰差、方位差)波束在饋源中形成的具體過程;文獻［5］介紹了一種設計X波段多模饋源的方法，采用多種魔T形成和差網絡，具有零值深、零點漂移小、隔離度高、駐波系數低的特點;文獻［6］設計了一種多喇叭多模饋源，給出了設計饋源的具體方法，對相位中心問題進行了討論，將計算得到的遠場方向圖與測量結果進行了對比。

極化扭轉天線是從21世紀30年代開始出現和發展起來的，利用雙層柵網在天線主反射器上實現極化扭轉，不但可以減小口徑遮擋，而且能使天線結構更加緊湊，質量更小。多頻段工作是增強雷達抗干擾能力的有效措施之一，要在卡塞格倫天線上實現雙波段工作，合理地選擇饋電方式是關鍵。采用雙波段極化扭轉技術，不僅簡化了支撐結構，減輕質量，而且還可以大大減小兩個波段的口徑遮擋。針對雙頻段極化扭轉卡塞格倫天線，本文提出了雙口雙模單脈沖雷達饋源，采用后饋電方式。此饋源具有結構緊湊、饋電簡單、工作頻帶寬、零值深、隔離度高、易于實現等優點，可更好地改善天線的和差矛盾，提高天線的效率。仿真結果表明，和通道駐波小于1.8，E面差通道、H面差通道駐波均小于2，且和通道、差通道之間隔離度都在40 dB以上。

1 饋源的工作原理及設計方法

1.1 饋源的工作原理

單脈沖雷達饋源主要由主波導、次波導、過渡段、和差比較器、檢測波導、隔離板組成，其中和差比較器及過渡段中的矩形波導均采用代號為WR-90(22.86 mm ×10.16 mm)的標準矩形波導，如圖1所示。

圖1 雙口雙模單脈沖雷達饋源

單脈沖天線饋源可以看成是同一口徑、工作在三種不同狀態的三個獨立天線。由于口徑相同而分布不同，通常是不能得到同樣波瓣寬度的。對這樣一個口徑來說，要得到同樣波瓣寬度，三個工作狀態必須有不同的面積利用系數，多模饋源就是在波導中采用多個傳輸模，并控制這些模的幅度和相位，達到此目的。多模饋源中所用波形，就是在波導中引入不連續性產生的。在此饋源中，當天線接收到的回波信號到達饋源矩形喇叭口時，將在矩形喇叭口激勵起TE10模和TE20模，TE10模經過主波導、次波導以及過渡段到達和差比較器中的E面折迭魔T，相加后從和通道輸出得到和信號，相減后從E面差通道輸出得到E面差信號，TE20模進入和差比較器后在H面折迭魔T的E臂激勵出H差信號，用E面折疊魔T將上下兩個H面折迭魔T產生的H差信號同相相加后從H面差通道輸出得到H面差信號。

1.2 饋源的設計

圖2a)為主波導與隔離板正視圖，主波導中矩形喇叭尺寸的設計，應該做到只允許傳輸TE10模和TE20模，再根據仿真優化，最終得出矩形喇叭的尺寸為43.3 mm×6.4 mm。隔離板的作用主要是減少兩個矩形輻射口的相互影響。為了減少隔離板對Ka波段兩個輻射口的影響，在隔離板中間開了兩個長方體槽，尺寸為:L1×d1×w(17.9 mm ×4.2 mm ×1 mm)、L2×d2×w(15 mm×2.5 mm×1 mm)，其中，w為隔離板中間部分的厚度，隔離板的兩端厚度為w1=3 mm，其兩端到中間有臺階變化，以形成漸變。

主波導中有六個對稱分布的短路器，短路器可以用來進行阻抗匹配和展寬帶寬。本文對短路器的各項參數進行掃描優化，最后，得到正方形短路器的尺寸為8.4 mm ×8.4 mm(h1、h2、h3)，其中，h1為左下方與右下方兩個正方形短路器的高度，h2為中間正方形短路器的高度，h3為左上方與右上方兩個正方形短路器的高度，且h1=1.75 mm、h2=3.1 mm、h3=3.2 mm，長方形短路器的尺寸為17.3 mm×3.1 mm×4.2 mm。

圖2 饋源各部分模型圖

圖2b)為過渡段與檢測波導正視圖，考慮到Ka波段的饋源也要嵌入到X波段饋源中。所以，模型利用了波導過渡段，先增大過渡段四根波導之間的間距，在饋源中間形成比較大的空間以容納Ka波段饋源，然后四根波導逐漸往中間收攏。Ka波段饋源形式跟X波段饋源大同小異，其采用標準矩形波導WR-28(7.11 mm×3.56 mm)作為標準波導口，同時也構建出主波導、次波導、和差比較器，最后嵌入到X波段饋源中。圖中各參數的值為L4=148.1 mm、L5=13 mm、L6=11 mm、L7=11.8 mm、L8=11.8 mm、d4=19.86 mm、a=22.86 mm。檢測波導與過段段中的一根波導開了三個圓孔，大圓孔的半徑為3.5 mm，小圓孔的半徑為2.3 mm。檢測波導的作用是檢測整個系統信號是否正常工作。

圖2c)為和差比較器網絡，比較器由兩個E面折疊魔T、兩個H面折疊魔T以及兩個E面彎波導組成，各個端口的尺寸為波導標準尺寸，即a×b(22.86 mm×10.16 mm)。

2 饋源的輻射特性分析

2.1 矩形口徑場分析

對于本文提出的饋源，其輻射口徑面為對稱的兩個矩形平面，現用口徑面為xy面的口徑天線來分析其輻射特性。根據圖3所示，可推導出矩形口徑天線的遠場公式為

圖3 矩形口徑及坐標系

2.2 口徑場分布及其方向圖分析

圖4為雙口雙模饋源三種波束的口徑場分布。

圖4 雙口雙模饋源三種波束的口徑場分布

2.2.1 和狀態下饋源的口徑場

圖4a)為和狀態下饋源的口徑場分布，其表達式為

2.2.2 E面差狀態下饋源的口徑場

圖4b)為E面差狀態下饋源的口徑場分布，其表達式為

2.2.3 H面差狀態下饋源的口徑場

圖4c)為H面差狀態下饋源的口徑場分布，其表達式為

3 結果分析

3.1 駐波與隔離度

為了改善饋源的駐波，增加駐波帶寬，在E面折疊魔T與H面折疊魔T的適當位置都加有膜片、漸變臺階、切角，改善每一個折疊魔T的駐波，利用隔板增加折疊魔T端口間的隔離度，改善和差比較器的駐波與隔離度。同時，在饋源主波導與次波導中加有漸變波導、方形柱以改善駐波。經過仿真優化，最終得到饋源整體仿真結果如圖5所示，實測結果如圖6所示。由圖5a)可知，在工作頻率范圍內，和通道、E面差通道、H面差通道的駐波均小于2，其中，E面差通道駐波為1.7，和通道駐波為1.8，H面差通道駐波為2，帶寬達到21%。由圖5b)可知，和通道與E面差通道、H面差通道的隔離度都在40 dB以上。

圖6為饋源三個通道的實測駐波曲線，由圖可知，在工作頻帶內，和通道的駐波在1.776以下，E面差通道的駐波在2.15以下，H面差通道的駐波在1.932以下，實測駐波帶寬約為20%(VSWR≤2)，因此，實測結果與仿真結果吻合良好。為了進一步改善駐波，可再采用一些膜片、銷釘、圓臺、漸變臺階波導進行匹配，并對相關參數進行優化掃描。

圖5 駐波隔離度仿真結果

圖6 實測駐波曲線

圖7為實測隔離度曲線，由圖可知，和通道與E面差通道之間的隔離度在31 dB以上，和通道與H面差通道之間的隔離度在37 dB以上。

圖7 實測隔離曲線

3.2 遠場輻射方向圖

圖8、圖9、圖10分別為此饋源在下邊頻(f=f0-Δf)、中心頻率(f0)、上邊頻(f0+Δf)時遠場輻射方向圖的仿真結果與理論計算結果對比。由于進行實測時，此饋源與極化扭轉卡塞格倫天線一起測試的，得到的遠場輻射方向圖為次級遠場輻射方向圖，并未對饋源的遠場輻射方向圖(初級遠場輻射方向圖)進行單獨測量，所以，文中只給出初級遠場輻射方向圖的仿真結果與理論計算結果。

圖8 下邊頻(f=f0-Δf)遠場輻射方向圖

圖9 中心頻率(f=f0)遠場輻射方向圖

圖10 上邊頻(f=f0+Δf)遠場輻射方向圖

對于和方向圖，在E面(φ=0°)和H面(φ=90°)均可得到遠場方向圖曲線。對于差方向圖，由于有一個平面對應的是交叉極化，所以差方向圖只涉及一個平面。由圖8、圖9、圖10可知，在仿真頻帶內，E面和、差方向圖中仿真結果與理論結果吻合良好，H面和、差方向圖中仿真結果與理論結果在-40°≤θ≤40°角度范圍內吻合良好，滿足設計要求。由于兩個輻射口之間的互耦影響，且矩形喇叭口邊緣存在繞射，遠場方向圖的理論結果與仿真結果必然會存在差異，θ角偏大，理論結果與仿真結果的偏差必然越大。整體看來，遠場輻射方向圖在整個頻帶內效果良好，和方向圖接近旋轉對稱，符合變形卡塞格倫天線照射要求。差方向圖零深都在-40 dB以下，符合饋源設計要求。

4 結束語

本文提出了一種X波段雙口雙模單脈沖雷達饋源，首先闡述了饋源的工作原理，介紹了饋源各部分器件的設計過程，然后從理論上推導了其遠場輻射方向圖的完整解析表達式。經過仿真優化，加工出饋源實物并進行測量，實測結果與仿真結果一致性較好，各項指標滿足單脈沖饋源的要求。這種饋源的優點就是有較寬的帶寬(約為20%)，和通道駐波小，差方向圖有很低的零深，適用于極化扭轉卡塞格倫天線。

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