X波段雙口雙模單脈沖雷達(dá)饋源的分析與設(shè)計(jì)

周增廣，王 建，邵 凱，汪 波

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

0 引言

對單脈沖體制的雷達(dá)而言，天線的性能直接決定著該雷達(dá)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(biāo)。饋源的作用是產(chǎn)生和、差波束，用于跟蹤系統(tǒng)，其基本原理是利用和波束探測目標(biāo)的距離與進(jìn)行距離跟蹤，利用差波束探測目標(biāo)的方位角與俯仰角信息進(jìn)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(shí)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(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一種帶寬為10%的X波段單脈沖雷達(dá)饋源，具體分析了其工作原理，并給出了仿真結(jié)果以及實(shí)測結(jié)果;文獻(xiàn)［4］從理論上更加詳細(xì)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(xiàn)［5］介紹了一種設(shè)計(jì)X波段多模饋源的方法，采用多種魔T形成和差網(wǎng)絡(luò)，具有零值深、零點(diǎn)漂移小、隔離度高、駐波系數(shù)低的特點(diǎn);文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一種多喇叭多模饋源，給出了設(shè)計(jì)饋源的具體方法，對相位中心問題進(jìn)行了討論，將計(jì)算得到的遠(yuǎn)場方向圖與測量結(jié)果進(jìn)行了對比。

極化扭轉(zhuǎn)天線是從21世紀(jì)30年代開始出現(xiàn)和發(fā)展起來的，利用雙層?xùn)啪W(wǎng)在天線主反射器上實(shí)現(xiàn)極化扭轉(zhuǎn)，不但可以減小口徑遮擋，而且能使天線結(jié)構(gòu)更加緊湊，質(zhì)量更小。多頻段工作是增強(qiáng)雷達(dá)抗干擾能力的有效措施之一，要在卡塞格倫天線上實(shí)現(xiàn)雙波段工作，合理地選擇饋電方式是關(guān)鍵。采用雙波段極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)，不僅簡化了支撐結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，而且還可以大大減小兩個(gè)波段的口徑遮擋。針對雙頻段極化扭轉(zhuǎn)卡塞格倫天線，本文提出了雙口雙模單脈沖雷達(dá)饋源，采用后饋電方式。此饋源具有結(jié)構(gòu)緊湊、饋電簡單、工作頻帶寬、零值深、隔離度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可更好地改善天線的和差矛盾，提高天線的效率。仿真結(jié)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(shè)計(jì)方法

1.1 饋源的工作原理

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

圖1 雙口雙模單脈沖雷達(dá)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(tài)的三個(gè)獨(dú)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(gè)口徑來說，要得到同樣波瓣寬度，三個(gè)工作狀態(tài)必須有不同的面積利用系數(shù)，多模饋源就是在波導(dǎo)中采用多個(gè)傳輸模，并控制這些模的幅度和相位，達(dá)到此目的。多模饋源中所用波形，就是在波導(dǎo)中引入不連續(xù)性產(chǎn)生的。在此饋源中，當(dāng)天線接收到的回波信號到達(dá)饋源矩形喇叭口時(shí)，將在矩形喇叭口激勵(lì)起TE10模和TE20模，TE10模經(jīng)過主波導(dǎo)、次波導(dǎo)以及過渡段到達(dá)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(jìn)入和差比較器后在H面折迭魔T的E臂激勵(lì)出H差信號，用E面折疊魔T將上下兩個(gè)H面折迭魔T產(chǎn)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(shè)計(jì)

圖2a)為主波導(dǎo)與隔離板正視圖，主波導(dǎo)中矩形喇叭尺寸的設(shè)計(jì)，應(yīng)該做到只允許傳輸TE10模和TE20模，再根據(jù)仿真優(yōu)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(gè)矩形輻射口的相互影響。為了減少隔離板對Ka波段兩個(gè)輻射口的影響，在隔離板中間開了兩個(gè)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(dǎo)中有六個(gè)對稱分布的短路器，短路器可以用來進(jìn)行阻抗匹配和展寬帶寬。本文對短路器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行掃描優(yōu)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(gè)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(gè)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(dǎo)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(dǎo)過渡段，先增大過渡段四根波導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-28(7.11 mm×3.56 mm)作為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口，同時(shí)也構(gòu)建出主波導(dǎo)、次波導(dǎo)、和差比較器，最后嵌入到X波段饋源中。圖中各參數(shù)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(dǎo)與過段段中的一根波導(dǎo)開了三個(gè)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(dǎo)的作用是檢測整個(gè)系統(tǒng)信號是否正常工作。

圖2c)為和差比較器網(wǎng)絡(luò)，比較器由兩個(gè)E面折疊魔T、兩個(gè)H面折疊魔T以及兩個(gè)E面彎波導(dǎo)組成，各個(gè)端口的尺寸為波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)矩形平面，現(xiàn)用口徑面為xy面的口徑天線來分析其輻射特性。根據(jù)圖3所示，可推導(dǎo)出矩形口徑天線的遠(yuǎn)場公式為

圖3 矩形口徑及坐標(biāo)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(tài)下饋源的口徑場

圖4a)為和狀態(tài)下饋源的口徑場分布，其表達(dá)式為

2.2.2 E面差狀態(tài)下饋源的口徑場

圖4b)為E面差狀態(tài)下饋源的口徑場分布，其表達(dá)式為

2.2.3 H面差狀態(tài)下饋源的口徑場

圖4c)為H面差狀態(tài)下饋源的口徑場分布，其表達(dá)式為

3 結(jié)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(dāng)位置都加有膜片、漸變臺階、切角，改善每一個(gè)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(shí)，在饋源主波導(dǎo)與次波導(dǎo)中加有漸變波導(dǎo)、方形柱以改善駐波。經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終得到饋源整體仿真結(jié)果如圖5所示，實(shí)測結(jié)果如圖6所示。由圖5a)可知，在工作頻率范圍內(nèi)，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(dá)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(gè)通道的實(shí)測駐波曲線，由圖可知，在工作頻帶內(nèi)，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(shí)測駐波帶寬約為20%(VSWR≤2)，因此，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。為了進(jìn)一步改善駐波，可再采用一些膜片、銷釘、圓臺、漸變臺階波導(dǎo)進(jìn)行匹配，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化掃描。

圖5 駐波隔離度仿真結(jié)果

圖6 實(shí)測駐波曲線

圖7為實(shí)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(shí)測隔離曲線

3.2 遠(yuǎn)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(shí)遠(yuǎn)場輻射方向圖的仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比。由于進(jìn)行實(shí)測時(shí)，此饋源與極化扭轉(zhuǎn)卡塞格倫天線一起測試的，得到的遠(yuǎn)場輻射方向圖為次級遠(yuǎn)場輻射方向圖，并未對饋源的遠(yuǎn)場輻射方向圖(初級遠(yuǎn)場輻射方向圖)進(jìn)行單獨(dú)測量，所以，文中只給出初級遠(yuǎn)場輻射方向圖的仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果。

圖8 下邊頻(f=f0-Δf)遠(yuǎn)場輻射方向圖

圖9 中心頻率(f=f0)遠(yuǎn)場輻射方向圖

圖10 上邊頻(f=f0+Δf)遠(yuǎn)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(yuǎn)場方向圖曲線。對于差方向圖，由于有一個(gè)平面對應(yīng)的是交叉極化，所以差方向圖只涉及一個(gè)平面。由圖8、圖9、圖10可知，在仿真頻帶內(nèi)，E面和、差方向圖中仿真結(jié)果與理論結(jié)果吻合良好，H面和、差方向圖中仿真結(jié)果與理論結(jié)果在-40°≤θ≤40°角度范圍內(nèi)吻合良好，滿足設(shè)計(jì)要求。由于兩個(gè)輻射口之間的互耦影響，且矩形喇叭口邊緣存在繞射，遠(yuǎn)場方向圖的理論結(jié)果與仿真結(jié)果必然會(huì)存在差異，θ角偏大，理論結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差必然越大。整體看來，遠(yuǎn)場輻射方向圖在整個(gè)頻帶內(nèi)效果良好，和方向圖接近旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文提出了一種X波段雙口雙模單脈沖雷達(dá)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(shè)計(jì)過程，然后從理論上推導(dǎo)了其遠(yuǎn)場輻射方向圖的完整解析表達(dá)式。經(jīng)過仿真優(yōu)化，加工出饋源實(shí)物并進(jìn)行測量，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足單脈沖饋源的要求。這種饋源的優(yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)卡塞格倫天線。

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