超寬帶拋物環面多波束測向天線設計與分析

趙旭，滕衍強，孫建慶，張青，邢曉俊

（中國航天科工集團8511研究所， 江蘇 南京 210007）

0 引言

電子戰偵測系統中，測向陣通常為由多個螺旋天線、喇叭天線組成線陣或圓陣，兩兩單元間或可采用電掃開關依次切換不同的測向單元，進行幅度比較。該方法雖然可減少接收通道數量，節約成本，但天線增益較低、瞬時覆蓋角域較窄，截獲概率較低，降低了系統的綜合性能［1］。

因此，為了在瞬時寬角滿足較高的測向精度，就需要高增益、較窄波束寬度的多波束天線。本文介紹了一種多波束拋物環面天線，該天線具有瞬時覆蓋角域寬、高增益、方向圖指向穩定、俯仰波束寬度可控以及工作帶寬可達到3∶1的特點，因而這種天線適合用于寬帶偵察系統的高靈敏度偵察和測向設備。

1 天線設計

通常多波束拋物環面天線由拋物環面、饋源陣列以及輔助支撐結構組成。考慮到拋物面設計、加工生產、成本等因素，拋物面采用單拋物環面設計。同時綜合考慮饋源工作帶寬寬、相位中心穩定、交叉極化小等要求，擬采用比較簡單的基本成束法，即每一波束來源于一個天線進行優化設計。因此，這種拋物環面多波束天線具有結構簡單、增益損耗小、波束指向穩定以及瞬時覆蓋角域可以靈活拓展等優點。在實際工程應用中可以輔助以高精度俯仰轉臺實現俯仰波束寬角覆蓋［2］。

1.1 饋源設計選型及饋源陣設計

饋源設計選型：由于超寬帶喇叭天線具有較寬的工作帶寬、穩定的相位中心等性能，在寬帶饋源領域得到廣泛應用，因此優先選用喇叭天線。

饋源陣設計參數：饋源陣陣元采用超寬帶雙脊喇叭天線形式，饋源間距為35 mm，其夾角約為8.59°。

依據設計要求，工作頻段重點考慮X波段，采用某分析軟件進行建模仿真驗證，天線仿真模型如圖1所示，其仿真結果如圖2—6所示。

圖2 電壓駐比波

圖3 6 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

圖5 10 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

圖6 12 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

1.2 拋物環面設計

相比于常規拋物面天線，拋物環面在垂直于旋轉軸的任何平面內的截線均為一圓弧線，它組合了拋物面天線和球面天線的優點，饋源在圓弧的任一點放置，都不存在偏焦問題，從而具有較好的可控多波束能力，并且在天線整個掃描角度范圍內，其增益或效率無明顯下降，旁瓣電平無明顯上升，天線結構簡單，穩定可靠［3］。

拋物環面天線的幾何圖如圖7所示，拋物面母線M繞Z軸旋轉形成，其旋轉半徑為r，其焦點是經過F點、半徑為r-f的圓弧。

圖7 拋物環面天線幾何圖

選取拋物線口面直徑為2 m，圓弧方向旋轉適當角度，得到拋物環面天線的反射面，其投影等效面積為2.7 m×2 m。其方位曲線如圖8所示。

圖8 2.7 m×2 m天線示意圖

1.3 多波束拋物環面的綜合仿真設計

依據上述拋物環面的設計約束，采用某軟件進行建模仿真驗證，圖9為仿真模型，仿真結果如圖10—12所示。從仿真數據來看，由于天線在結構上方位面旋轉對稱，所以中心波束和邊波束性能基本一致，只是遠旁瓣有所差別，與理論設計結果吻合。實測結果如圖13—15所示，從實測數據可以看出，多個獨立波束增益有約1.5 dB的波動，分析其原因，主要是饋源遮擋、支撐結構及伺服系統等環境影響所致，與理論仿真結果基本吻合。

圖9 拋物環面多波束天線仿真模型

圖10 6 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖11 9 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖12 12 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖13 6 GHz方位面11波束測試增益方向圖

圖15 12 GHz方位面11波束測試增益方向圖

2 多波束天線性能拓展仿真驗證

為進一步驗證工作帶寬及方位維瞬時覆蓋角域的性能拓展方案的有效性，仿真設計了工作頻段覆蓋Ku波段，方位維瞬時覆蓋±60°角域的拋物環面多波束天線，其饋源采用寬帶雙脊喇叭天線，饋源陣間距為32 mm。

該天線采用某分析軟件進行建模仿真分析，仿真模型如圖16所示。為了提高仿真效率，模型中實際饋源只覆蓋對稱的一半角域。計算了中心波束附近多個波束以及在60°邊沿波束附近多個波束的特性。仿真結果如圖17—19所示，從仿真結果可以看出，工作帶寬和瞬時覆蓋角域±60°內，可以滿足設計需求。

圖16 多波束天線仿真模型

圖18 12 GHz方位面部分波束仿真增益方向圖

圖19 18 GHz方位面部分波束仿真增益方向圖

3 結束語

本文介紹了一種應用于測向系統的拋物環面天線設計方法，對仿真與實測數據進行了對比分析，且對波束等幅特性進行了定量分析驗證。在此基礎上，為了滿足實際工程應用的需求，還進一步通過理論分析，對工作帶寬、瞬時寬角覆蓋等電性能指標的可實現性進行了仿真驗證，拓展了高增益、多波束體制測向天線的實現方式，具有較高的工程應用價值。