一種低輪廓賦形反射面天線設計方法

陳文俊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

一種低輪廓賦形反射面天線設計方法

陳文俊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

詳細介紹了易于工程實現的賦形反射面天線設計方法。提出了一種俯仰面方向圖預調技術。該技術可以通過預先調整目標方向圖，有效彌補了傳統方法設計出來的賦形反射面天線高仰角增益偏小的不足。同時，通過對反射面進行橢圓切割，在性能指標滿足要求的條件下降低了天線尺寸、質量。

雷達；反射面天線；賦形；方向圖預調；切割

Abstract: A method to design the shaped reflector antenna is introduced in detail, which can be easily applied in practice. The pre-compensation pattern technique in elevation is proposed, with which the target pattern is pre-adjusted to effectively compensate for the gain of high elevation angle compared to the conventional methods. Moreover, in the case of meeting the technical requirements, the antenna size and weight are reduced through elliptical cutting of the reflector.

Keywords: radar; reflector antenna; shaped beam; pre-compensation pattern; cutting

0 引 言

賦形反射面天線可以通過機械旋轉實現方位面360°覆蓋。俯仰面由波束賦形實現特定覆蓋，從而保證雷達同時對空中和海面搜索。賦形反射面的設計通常是依據能量守恒定律和幾何光學的反射定律確定中截線，再選取具有聚焦特性的條帶，二者一起構成雙彎曲反射面。

國內外學者和工程技術人員從反射面的一般綜合理論[1-2]、中截線設計[3]、條帶選擇[4]到反射面的具體實現方式等方面對賦形反射面天線進行了詳細的研究。但是，由于計算中截線時用的是功率方向圖，沒有考慮相位的影響，因此無論哪種方法綜合出來的反射面天線方向圖與實際要求的都有一定差別。要使設計出來的俯仰面方向圖與實際要求充分接近，必須擴大反射面縱向物理尺寸，讓邊緣照射電平足夠小。小型艦艇上裝載賦形反射面天線，則要求天線質量輕、風載荷小。本文以某型X波段反射面天線為例，給出了一種低輪廓賦形反射面設計方法。

2 賦形反射面設計方法

2.1 反射面基本參數選擇

圖1為反射面基本參數關系示意圖。天線反射面寬度W可由水平面3 dB波束寬度θa與W關系的估算[5]：

(1)

俯仰面主波束的3 dB波束寬度θe主要取決于反射面中截線的上半部分。上半部分高度Du的估算公式為

(2)

綜合考慮反射面的焦徑比、口面尺寸以及ψ2+|ψ1|>40°的限制，ψ2、ψ1為反射面中截線上、下張角，選擇ψ2=35°,ψ1=-15°。

圖1 反射面基本尺寸示意圖

2.2 俯仰方向圖預調技術

俯仰面方向圖可以用下列公式[6]擬合：

圖2 擬合的理論方向圖

俯仰面方向圖的主波束寬度主要由賦形反射面的上半部分即Du對應的部分決定，下半部分對高仰角波束形狀起重要作用。要使高仰角波束平滑，則應加大下半部分尺寸Dd。為了減小反射面尺寸，在不加大Dd的情況下，可通過俯仰面方向圖預調技術修改俯仰面目標方向圖。本文設計的天線預調后的方向圖如圖3 所示。采用該預調方向圖設計中截線可使最終設計的反射面符合要求。

2.3 中截線設計

雙彎曲反射面天線設計的重點是確定中截線。中截線的形狀決定了天線俯仰面的波束形狀。根據能量守恒定律和反射定律，可得到計算中截線的公式如下：

圖3 預調后的俯仰面方向圖

(4)

(5)

其中，P(ψ)為初級饋源的俯仰面功率方向圖，F(θ)為次級俯仰面的功率方向圖(圖3表示的方向圖)。公式中的角度關系如圖4所示。r=ρ/ρ2，r≤1，ρ2為焦點到中截線最上端距離。聯立式(4)、(5)，一般可取dψ=0.2°，dθ=0.01°迭代求解。當求解過程收斂時，求出的r、θ、ψ即為中截線。

2.4 反射面切割技術

天線在方位面為窄波束。從天線反射出去的射線必須為平行射線，因此應在拋物面上截取條帶。常見的條帶包括仰角帶、水平帶和焦點帶。本文選取焦點帶，條帶方程選取的坐標系如圖4所示。

圖4 中截線計算的坐標系及角度關系

焦點帶方程為

(6)

其中

(7)

將中截線坐標與條帶方程結合就可以求出整個反射面坐標。為了減小天線的質量和風阻，以w為長軸、h=Du+Dd為短軸，對設計出來的反射面進行橢圓切割，其在XY面投影如圖1所示。

3 實驗結果

采用上述方法設計出來的雙彎曲反射天線，用FEKO軟件進行了仿真，并對加工實物進行了測試。圖5、6分別為仿真與實測的中心頻率方位面、俯仰面方向圖。仿真和測量結果對比表明，天線方位面副瓣小于-30 dB，俯仰面覆蓋超過了45°，各項指標符合設計要求。

圖5 中心頻率方位面方向圖

圖6 中心頻率俯仰面方向圖

4 結束語

在給出賦形雙彎曲反射面設計的詳細流程和方法的基礎上，本文采用俯仰面方向圖預調技術，在反射面高度尺寸受限的條件下保證了俯仰面方向圖高仰角的覆蓋符合要求。該技術與反射面投影橢圓切割相結合，降低了反射面輪廓，有效地減小了天線的尺寸、質量。實驗結果表明，本文的設計方法可行。

[1] 林世明. 賦形波束雙彎曲反射器天線理論研究[J]. 電子學報，1981(4):55-66.

[2] Yahya Rahmat-samii, Victor Galindo-Isralel. Shaped reflector antenna analysis using the Jacobi-Bessel series[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation,1980(4):28-34.

[3] 馬靜閑. 雙彎賦形反射面天線中截線的設計[J]. 火控雷達技術，1986(1):14-20.

[4] 項永華. 雙彎曲賦形反射面天線的外形選擇[J]. 艦船電子對抗，2005(1):37-39.

[5] 黃熾標，李振平. S波段目標搜索雷達雙彎曲反射面超余割平方低副瓣天線的研制[J].電子學報，1997(6)：33-50.

[6] 張祖稷，金林，束咸榮. 雷達天線技術[M].北京：電子工業出版社，2005.11：108-110.

A design method of low-profile shaped reflector antenna

CHEN Wen-jun

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN823.27

A

1009-0401(2017)03-0040-03

2017-07-28

陳文俊(1970-)，男，研究員，博士，研究方向：天線系統設計。