一種X/Ka雙頻雙極化共口徑連續波雷達天線設計

李運志 胡衛東 金秀梅

摘 要

針對連續波雷達體制要求，基于X波段透射，Ka波段反射的頻率選擇表面原理，設計了一種X/Ka雙頻雙極化共口徑反射面天線。采用收發天線分置和加載隔離筒等技術手段，達到改善天線端口隔離度的目的。實測結果表明，X波段的最大增益達到44dB，3dB波束寬度≤1.00°;Ka波段的法向增益達到54dB，3dB波束寬度≤0.33°，收發天線隔離度達到90dB以上。

關鍵詞

X波段;Ka波段;雙極化;FSS

中圖分類號： TN822? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.066

0 引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡稱FSS）是指在介質表面周期性排布的金屬貼片單元或者在金屬屏上周期性排布的孔徑縫隙單元組成的二維周期結構，具有帶阻或者帶通的空間濾波特性[1-2]。由于頻率選擇表面的空間濾波特性，其在多頻反射面天線以及天線罩等方面得到非常廣泛的應用[3-4]。

由于卡塞格倫天線的設計靈活，并且具有增益高、低饋線損耗、口徑效率高、結構相對簡單等優勢，已廣泛應用于雷達領域。但由于其固有的副反射面、饋源、及支桿遮擋因素的存在，導致天線副瓣明顯惡化，特別對于中小口徑天線更是如此[5]。

本文通過在副面加載頻率選擇表面單元，達到X波段能量信號透射，Ka波段能量信號反射，滿足X、Ka雙頻雙極化共口徑的技術要求。采用收發天線分置、共軸安裝方式實現了雷達的連續波工作。

1 天線參數設計

1.1 天線設計原理

為達到減小饋線損耗的目的，本文采用Ka波段饋源后置，X波段饋源前置的雙頻共面技術，其天線的設計原理如圖1所示。主反射面采用拋物面結構、副反射面采用基于介質基底的FSS結構，其外形輪廓為雙曲面，X、Ka波段的饋源喇叭分別位于拋物面的焦點和雙曲面的實焦點上。當X波段饋源喇叭發射電磁波后，FSS副反射面對于X波段全部透射，電磁波將被傳輸到主反射面，從而形成平面波;而當Ka波段饋源喇叭發射電磁波后，FSS副反射面對于Ka波段形成全反射，相當于金屬副反射面，根據卡塞格倫天線的幾何特性，電磁波經主反射面后形成平面波。

1.2 頻率選擇表面單元設計

本文的頻率選擇表面的單元采用加載介質基底的環形貼片結構形式，其周期單元的內半徑R1為1.05mm，外半徑R2為1.45mm，單元寬度Ws為0.4mm，單元周期S為3.2mm。加載介質基底采用低損耗的聚四氟乙烯材料，其介電常數為2.6，介質損耗為0.009。為滿足結構強度要求，其基底厚度選用8.5mm。為便于副反射面的加工，在介質表面的頻選單元采用環形布局方式。環形單元及整體布局結構示意圖如圖2所示。

1.3 饋源喇叭與天線設計

饋電喇叭采用雙模喇叭結構形式。X波段饋源喇叭前置，其照射角度128°，喇叭邊緣電平為-16dB。Ka波段饋源喇叭后置，饋源半張角30°，喇叭邊緣照射電平約-18dB

天線主反射面為拋物面形式，口徑為2400mm，焦徑比F/D=0.4，副反射面口徑大小140mm。天線整體采用收發天線分置和加載隔離筒的方式，經優化隔離筒的高度和天線間距，天線隔離度達到>90dB的技術要求。

2 實物加工測試

為驗證天線設計有效性，天線實物的暗室測試如圖3～4所示。由圖可見，在X波段的法向增益為44dB，3dB波束寬度為1.00°，第一副瓣電平為-33.8dB;Ka波段的法向增益為54dB，3dB波束寬度為0.33°，第一副瓣電平為-28.5dB。

3 結論

本文設計了一種X、Ka雙頻共面收發天線，基于環形單元加載的介質型副反射面，X波段饋源前置，Ka波段饋源后置，不僅達到了高增益、低副瓣、低饋線損耗的目的，而且實現了雷達整體的小型化。

參考文獻

[1]Munk B A.Frequency Selective Surface： theory and design，Wiley，New York， 2000.1-62.

[2]李小秋，高勁松，趙晶麗.一種適用于雷達罩的頻選擇表面新單元研究[J].物理學報，2008，57（6）：803-3806.

[3]侯新宇，張澎，盧俊等.一種雙曲率雷達罩的頻率選擇表面分片設計[J].導彈與制導學報，2006，第26卷第1 期，PP：123-125.

[4]C.A.Balanis，Antenna Theory-Analysis and Design，3rd ed.Hoboken，NJ，USA： Wiley，2005.

[5]T.Milligan，“Designing classical open-Cassegrain dual-reflector antennas from combinations of prescribed geometric parameters，”IEEE Antennas Propag.Mag.，vol.54，no.2，pp.136-147，Apr.2012.