一種Ka頻段單脈沖饋源的設計

阮云國，鄧智勇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

雷達主要應用在軍事領域，但近年因其在生物和氣象領域的應用前景，正逐漸被關注。雷達的核心功能是探測和目標定位，所以跟蹤功能是衡量雷達性能的重要指標，為了尋求較高的跟蹤精度，雷達多采用單脈沖跟蹤，這種跟蹤方式與圓錐掃描跟蹤、指向跟蹤相比具有更高的跟蹤精度。

雷達天線有多種形式，但同時具有高增益、低副瓣、單脈沖跟蹤、多頻段工作特點的，只有反射面天線[1-2]。近年來,國內低頻段的雷達反射面天線技術較為成熟，而毫米波波段的雷達天線技術成果則相對較少，因此進行相關研究工作具有重要意義。反射面天線的核心是饋源，它決定了天線的電性能，因此反射面雷達天線的研究主要集中在對饋源的研究。文獻[1]對一種四喇叭形式單脈沖饋源的原理及饋電結構進行了研究，并對和、差增益的影響要素進行了理論分析。文獻[2-3]提出了一種工作在6 GHz的五喇叭饋源，該饋源通過對和、差之路相位進行處理，來改善饋源的口徑場分布，從而降低單脈沖天線的副瓣電平。通過對國內外研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，目前國內外研究的多喇叭單脈沖饋源多在Ka頻段以下，且主要針對天線的低副瓣、高效率和高功率進行研究，很少對天線如何提高差增益給出解決方案[4-8]，本文針對此進行了相關研究。

為了實現(xiàn)一部2.4 m X/Ku/Ka三頻段全極化雷達天線在Ka頻段具有高和、差增益、低副瓣、單脈沖跟蹤特性，設計了一種Ka頻段全極化單脈沖饋源，該饋源系統(tǒng)由組合喇叭與饋電網(wǎng)絡組成。其中，組合喇叭為5個介質加載方波導喇叭和4個輔助喇叭，饋源的和通道是水平極化和垂直極化同時輸出，差通道是方位差和俯仰差同時輸出。通過采用介質加載和輔助喇叭技術，該單脈沖饋源的照射電平、差增益和差零深等性能得到顯著改善。

1 單脈沖原理分析

在反射面天線中，單脈沖饋源的相位中心一般置于反射面的焦點上，當天線對準目標時，差波束的零點也正好對準目標，此時各個喇叭收到的能量相等，不產(chǎn)生誤差信號，如果目標離開軸線，即目標偏離差波束零點，此時各個喇叭中的能量就會不平衡，敏感器件就會給出誤差信號，雷達通過比較各個喇叭中激起的回波信號幅度來檢測目標的位移[4-5]。

單脈沖饋源有多種形式，常用的是四喇叭與五喇叭模式，其中四喇叭饋源的和?？趶匠叽缗c差?？趶匠叽缡窍嗟鹊?，饋源的差模波束寬度會遠大于和模波束寬度，所以和、差增益無法同時達到最大。而五喇叭單脈沖，由于提供和波束與差波束的不是同一個喇叭，可以分別控制和模與差模的激勵，使和方向圖的增益與差方向圖的增益同時達到最佳[9-13]。

五喇叭饋源通常由中心喇叭作為和通道，其周圍的4個喇叭作為差通道，上下2個喇叭形成俯仰差，左右2個喇叭形成方位差。和模方向圖由中間喇叭產(chǎn)生，其口徑場在E面是均勻分布，在H面是余弦分布，因此其和模的初級波瓣函數(shù)f∑(ψ,ζ)與波導輻射器相同[3]，即：

式中，a為方喇叭尺寸；λ為波長；ψ為波束偏離最大輻射方向的夾角；ζ為波束所在平面方位角。

方位差由左右2個喇叭提供，可以看成一個二元陣，因此初級方位差波瓣函數(shù)為：

俯仰差由上下2個喇叭提供，同理于方位差，可得其初級差波瓣函數(shù)：

按照上式，進一步可以得到和、差模的次級方向圖，進而可以計算和、差增益與差斜率。差斜率Δ0由下式給出：

式中，G0=(4π/λ2)AB,λ為波長,A,B為模喇叭的孔徑尺寸。

從上述分析可以得出，和模與差模同時達到最佳照射時，不能共口徑，因此要想和、差增益和差斜率都達到最優(yōu)，只有五喇叭饋源方案是可行的。

2 單脈沖饋源的設計

單脈沖饋源系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，位于前端的是介質加載方喇叭組合，其中喇叭是由介質錐和方波導所組成。位于中間的喇叭提供和信號，緊貼著中間喇叭的4個喇叭提供方位差信號和俯仰差信號。組合喇叭結構如圖2所示。從圖2可以看出,參與輻射的是9個喇叭，但其最外圍的4個喇叭是不進行饋電的，只起改善輻射特性的作用，實質上仍然是五喇叭形式。由于五喇叭單脈沖饋源的和模與差模不共口徑，可以分別控制和模與差模的激勵，因此其天線方向圖的和、差增益與差斜率可以同時達到最優(yōu)。

圖1 單脈沖饋源原理框圖Fig.1 Block diagram of the monopulse feed

饋源的饋電網(wǎng)絡由波導和差分離器、正交模耦合器、介質空氣波導轉換以及連接波導所組成。饋電網(wǎng)絡核心部件是波導和差分離器，結構如圖3所示，其功能是實現(xiàn)組合喇叭輸出的五路信號空間分離，波導和差分離器入口為5個方波導，輸出口是四路矩形波導和一路方波導，其中四路矩形波導中的平行兩路通過連接波導與魔T分別形成方位差信號和俯仰差信號，而方波導輸出口通過空氣介質波導過渡、正交模耦合器形成和信號的水平和垂直極化信號[14-16]。

圖3 波導和差分離器Fig.3 Sum-difference separator

組合喇叭由于空間排布非常緊湊，橫向無法進行和、差饋電網(wǎng)絡排布，因此需將各分支波導進行空間分離。解決此問題，需要一個過渡轉換，將介質波導轉換為空氣波導，根據(jù)傳輸線原理[6]，給出了如圖4所示的結構，該結構的輸入端是介質加載波導，輸出端是空氣波導，中間部分是一個漸變的介質錐與方波導腔過渡組合體，通過優(yōu)化介質錐的長度與截面尺寸，可實現(xiàn)該器件駐波匹配。

圖4 介質波導空氣波導轉換器Fig.4 Transformer of the dielectric-loaded waveguide

利用全波分析軟件建立仿真模型，仿真模型如圖4所示，設定端口駐波為優(yōu)化目標，對其進行優(yōu)化，優(yōu)化結果如圖5所示,結果顯示駐波在全頻段小于1.12∶1，滿足應用要求。

天線的口面場分布是影響天線副瓣電平的重要因素。通常情況是口面場分布越均勻，天線方向圖的副瓣電平越高；反之，邊緣照射電平越低，天線方向圖的副瓣也越低。因此在饋源的設計過程中，合理選擇饋源對反射面邊緣的照射電平尤為重要。根據(jù)反射面天線初級饋源設計原理，當需要和、差模最佳激勵時，和、差模喇叭的邊緣照射電平要控制在-10～-16 dB為佳，此時天線效率和副瓣電平都能兼顧。但五喇叭饋源的和、差方向圖本身就是一個矛盾體，當和方向圖照射電平較理想時，差方向圖會由于拼陣間距過大，照射電平降低太多，甚至出現(xiàn)柵瓣[17-18]，因此需要找一個都能兼顧的方法。

圖5 轉換器駐波仿真結果Fig.5 Simulated VSWR of the transformer

根據(jù)輻射原理，形成方位差的左右喇叭或形成俯仰差的上下喇叭，都等效引入了陣因子，如果能使陣因子變大，則饋源的差方向圖波束寬度就會變窄，可以提高差增益和差斜率。對于增大陣因子的方法，選擇在喇叭中進行介質加載，通過使陣間距減小，實現(xiàn)了陣因子增大。按此方法，可以獲得比較理想的饋源方向圖，一組優(yōu)化后的結果如圖6所示。

圖6 饋源歸一化方向圖仿真結果Fig.6 Simulation result of the monopulse feed normalized patterns

由圖6可以看出，饋源網(wǎng)絡在-70°～+70°的照射角內，邊緣照射電平為-12～-16 dB，和差峰值矛盾為-2 dB，差零深低于-35 dB，結果均能滿足使用要求。

3 饋源網(wǎng)絡的工藝結構設計

當微波器件工作頻段較高時，工藝結構就變得尤為重要，通常做法是仿真階段就加入結構工藝設計[19]。從結構上看，本饋源的關鍵部件是組合喇叭與波導和差分離器，結構如圖2和圖3所示。組合喇叭內腔尺寸為4.218 mm×4.218 mm，長度為80 mm，結構是多個薄壁喇叭的組合體，為保證波導腔的尺寸精度，加工時先利用高精度線切割機床，將內腔整體加工出來，然后再與加載介質進行裝配。由于選用的介質材料是介電常數(shù)為2.63的聚四氟乙烯，材料較軟，易變形，因此加工時要做好工裝，以保證裝配后介質與波導腔緊密接觸，且使其始終置于波導腔的中心軸位置。

波導和差分離器腔體結構復雜，將其拆分為上下腔體兩部分，每一部分都利用高精度數(shù)控銑床進行銑削加工，尺寸公差控制在0.01 mm以內，表面光潔度控制在0.008 mm以內。另外,為了上下腔體裝配時能精準定位，零件配置了高精度定位銷。

4 饋源的測試與分析

多喇叭單脈沖饋源按照最終優(yōu)化參數(shù)進行了樣機加工，實物如圖7所示，裝配調試完成后，使用網(wǎng)絡分析儀對饋源網(wǎng)絡的駐波進行了測試，使用微波暗室對饋源的方向圖進行了測試[20]。駐波測試結果如圖8所示，方向圖測試結果如圖9所示。

圖7 多喇叭單脈沖饋源實物Fig.7 Engineering model of the fabricated multi-horn monopulse feed

圖8 單脈沖饋源駐波測試結果Fig.8 Measured VSWR of the monopulse feed

圖9 單脈沖饋源歸一化方向圖測試結果Fig.9 Measured normalized patterns of the monopulse feed

由圖8可以看出，饋源在整個使用頻段內駐波小于1.4，雖滿足技術要求，但與仿真結果相比有一定的惡化。經(jīng)分析，應是裝配過程中存在電接觸不良的情況，導致部件之間的連接產(chǎn)生失配，組裝之后增加了反射點，整體駐波出現(xiàn)惡化。

由圖9可以看出，饋源在-70°～+70°的照射角內，和方向圖照射電平在-12～-14 dB，與仿真結果基本符合，差方向圖測試結果顯示，和、差峰值矛盾為-1.9 dB，差零深約-32 dB，和、差峰值矛盾與仿真結果符合較好，但差零深有一定偏差。為分析差零深惡化的原因，構建了合成相位偏差與差零深關聯(lián)的仿真模型,仿真結果如圖10所示。通過仿真結果可以看到，當2路相位差從1°變化到4°時，差零深會惡化6 dB，因此可以確定合成通道的相位不一致是導致差方向圖惡化的主要原因。

圖10 合成相位對差零深影響仿真結果Fig.10 Simulation result of the effect of combined phase difference on the null depth of the differential beam

5 結束語

本文詳細介紹了一種介質加載多喇叭組合單脈沖饋源，該饋源利用方波導中加載介質與外圍布置輔助喇叭的方法，有效地提高了和、差峰值矛盾，改善了饋源的輻射特性。饋源樣機實測結果顯示，實測數(shù)據(jù)和仿真計算數(shù)據(jù)基本吻合，說明本文采用的設計方法是可行和有效的。