一種直升機(jī)載X／Ka雙頻段雷達(dá)共口徑天線?

官正濤??（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種直升機(jī)載X／Ka雙頻段雷達(dá)共口徑天線?

官正濤??
（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

提出一種偏照饋電的X／Ka雙頻段極化扭轉(zhuǎn)式卡塞格倫天線形式，實現(xiàn)了氣象和防撞雷達(dá)系統(tǒng)共用一副天線，達(dá)到降低氣象和防撞雷達(dá)設(shè)備體積和重量的目的。天線的試驗結(jié)果表明，天線波束掃描范圍內(nèi)，在X頻段，天線的副瓣電平優(yōu)于－20.2 dB，天線效率優(yōu)于44.8%；在Ka頻段，天線的副瓣電平優(yōu)于－20.1 dB，天線效率優(yōu)于40.2%。該天線能兼顧滿足氣象和防撞雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。

防撞雷達(dá)；氣象雷達(dá)；共口徑天線；極化扭轉(zhuǎn)式卡塞格倫天線

1 引言

氣象雷達(dá)和防撞雷達(dá)可以提高直升機(jī)飛行的安全性和生存能力，使直升機(jī)能回避大雨等惡劣環(huán)境區(qū)域，在霧天、小雨、夜晚和戰(zhàn)場煙霧環(huán)境下正常工作，具有較好的氣候適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性，是現(xiàn)代直升機(jī)平臺必備的電子系統(tǒng)［1－3］。

目前，直升機(jī)載氣象雷達(dá)和防撞雷達(dá)設(shè)備是各自獨立的。氣象雷達(dá)采用波導(dǎo)縫隙陣天線形式，伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動整個雷達(dá)天線，天線波束的掃描速度與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度相等，波束掃描速度有限，整個天伺饋跟前端設(shè)備重量占整個氣象雷達(dá)設(shè)備的50%［4］。而防撞雷達(dá)采用倒置卡塞格倫天線形式，伺服機(jī)構(gòu)只驅(qū)動雷達(dá)天線的極化扭轉(zhuǎn)板，天線波束的掃描速度是伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度的1倍，整個天伺饋跟前端設(shè)備重量占整個防撞雷達(dá)設(shè)備的60%［5］。從兩種雷達(dá)對天線的技術(shù)要求可知，兩種雷達(dá)天線完全可以共口徑工作，從而可以減少1部天伺饋跟前端設(shè)備，有利于降低直升機(jī)載電子設(shè)備的數(shù)量和重量。

本文提出一種X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線形式，通過采用組合饋源技術(shù)、雙頻段極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)和寬帶天線罩技術(shù)，實現(xiàn)了氣象雷達(dá)和防撞雷達(dá)天線的共口徑工作。天線實測結(jié)果表明，天線技術(shù)指標(biāo)能同時滿足兩種雷達(dá)系統(tǒng)的使用要求，驗證了該天線形式的可行性。

2 天線原理

X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線如圖1所示，主要由天線罩、金屬柵條反射面、雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板、方位俯仰二維伺服轉(zhuǎn)臺、Ka頻段角錐喇叭饋源、X頻段角錐喇叭饋源、饋源支座和背板組成。

天線發(fā)射工作狀態(tài)時，Ka頻段角錐喇叭饋源發(fā)出垂直極化波，經(jīng)由垂直金屬柵條拋物反射面反射后散焦，到達(dá)雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板，雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板將入射波的極化扭轉(zhuǎn)90°，變?yōu)樗綐O化波后，通過垂直金屬柵條拋物反射面和天線罩，將能量定向輻射出去；X頻段天線與Ka頻段天線的工作原理大同小異，唯一的差別是兩種頻率的電磁波在雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板內(nèi)的反射路徑不同，如圖2所示，即Ka頻段的電磁波進(jìn)入雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板后經(jīng)過四分之一波長，遇到頻率選擇面后，電磁波就被全部反射出來，而X頻段的電磁波則會通過頻率選擇面，遇到金屬地板后，才能全部被反射回去，頻率選擇面對X頻段的電磁波幾乎沒有影響。接收過程工作原理與發(fā)射過程的剛好相反。

天線波束掃描工作時，天線罩、柵條拋物反射面、Ka頻段角錐喇叭饋源和X頻段角錐喇叭饋源固定不動。通過方位俯仰二維伺服轉(zhuǎn)臺驅(qū)動雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板的左右轉(zhuǎn)動實現(xiàn)天線波束方位掃描；方位俯仰二維伺服轉(zhuǎn)臺驅(qū)動雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板上下轉(zhuǎn)動實現(xiàn)天線波束俯仰掃描。由于電磁波需要通過極化扭轉(zhuǎn)板反射才能輻射出去，由反射定理可知，入射角等于反射角，在任何時刻，天線波束掃描角度和掃描速度都是極化扭轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動的1倍。

3 天線設(shè)計

倒置卡塞格倫天線技術(shù)在毫米波頻段的研究已經(jīng)較為成熟［6］，但是要實現(xiàn)X頻段和Ka頻段的共口徑工作其研制難度就非常大。與普通的反射面天線不同，除了金屬柵條反射面具有低通特性外，天線饋源、極化扭轉(zhuǎn)板和天線罩都具有帶通特性，對頻率比較敏感。因此，實現(xiàn)雙頻段倒置卡塞格倫天線就必須解決饋源、極化扭轉(zhuǎn)板和天線罩的雙頻段問題。

由于氣象雷達(dá)和防撞雷達(dá)的工作頻率相差太遠(yuǎn)，接近4個倍頻程，用單個饋源很難實現(xiàn)，并且就算單饋源實現(xiàn)了反射面的口徑分布和邊緣照射電平的要求，饋源的尺寸必然很大，并且饋源遮擋必然相當(dāng)嚴(yán)重，不利于天線副瓣電平的降低；因此，單饋源方案不可行，必須采用組合饋源方案。Ka頻段饋源尺寸小，可以采用單喇叭天線形式；而X頻段饋源具有高功率要求，宜選用喇叭天線形式。若采用組合喇叭方案，保證等效相位中心共焦點，勢必會引入復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，增加系統(tǒng)體積、重量和復(fù)雜度，得不償失。而采用單喇叭方案，在體積、重量和復(fù)雜度方面具有明顯優(yōu)勢，但代價是使近軸副瓣電平提高近2 dB，即使這樣也能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。因此，X頻段饋源也采用單喇叭天線形式，如圖3所示。

極化扭轉(zhuǎn)板為實現(xiàn)反射波的極化方向旋轉(zhuǎn)90°的目的，要求介質(zhì)板的厚度為四分之一介質(zhì)波長的奇數(shù)倍，從而保證進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部的電場分量移相180°。當(dāng)兩個頻點不滿足奇數(shù)倍關(guān)系時，用常規(guī)的介質(zhì)移相方案，工程上很難在兩頻點上同時實現(xiàn)極化方向旋轉(zhuǎn)90°。較好的解決方案是采用頻率選擇表面技術(shù)，在X頻段仍然采用四分之一介質(zhì)波長的介質(zhì)板移相；在介質(zhì)板內(nèi)部加入周期性的印刷圖案，使Ka頻段的電磁波提前反射回去，而X頻段的電磁波幾乎不受影響地穿過。使兩頻段電磁波在介質(zhì)板內(nèi)都只經(jīng)過二分之一介質(zhì)波長的路程，從而實現(xiàn)X／Ka雙頻段極化扭轉(zhuǎn)功能。圖4給出了雙頻段極化扭轉(zhuǎn)板HFSS“元胞”模型。

天線罩也是和工作頻率密切相關(guān)的功能件。兩個工作頻點不是倍頻關(guān)系，只能將天線罩實現(xiàn)寬頻特性才能滿足使用要求。天線罩要想獲得寬頻特性，一般有以下幾種途徑：

（1）采用極低介電常數(shù)的介質(zhì)材料；

（2）采用薄壁結(jié)構(gòu)；

（3）采用特殊的夾層結(jié)構(gòu)；

（4）采用含金屬絲和網(wǎng)的介質(zhì)材料。

綜合考慮直升機(jī)載工作環(huán)境、工作頻段和工程可實現(xiàn)性，主要采用途徑3實現(xiàn)天線罩的寬頻帶特性，即薄壁A夾層結(jié)構(gòu)。蒙皮材料為石英玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂組合，透波芯材選用紙蜂窩。

4 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)要求，設(shè)計并加工一套直升機(jī)載X／Ka雙頻段氣象防撞雷達(dá)共口徑天線，如圖5和圖6所示。

氣象雷達(dá)要求天線工作在X頻段，波束寬度小于7°，增益大于26 dBi，副瓣電平小于－20 dB，天線波束在方位±60°、俯仰±15°范圍內(nèi)掃描。測試結(jié)果表明，天線在X頻段和波束掃描范圍內(nèi)，波束寬度介于6.4°～6.9°之間，增益介于26.7～27.4 dBi之間，副瓣電平介于－20.2～－24.9 dB之間，如圖7～9所示。天線效率高于44.8%，滿足氣象雷達(dá)技術(shù)要求。

而防撞雷達(dá)天線要求工作在Ka頻段，波束寬度小于1.8°，增益大于37 dBi，副瓣電平小于－20 dB，天線波束在方位±60°、俯仰±15°范圍內(nèi)掃描。測試結(jié)果表明，天線在Ka頻段和波束掃描范圍內(nèi)，波束寬度介于1.62°～1.74°之間，增益介于37.9～38.8 dBi之間，副瓣電平介于－20.0～－25.7 dB之間，如圖7～9所示。天線效率高于40.2%，滿足防撞雷達(dá)技術(shù)要求。

由圖7～9可見，天線性能指標(biāo)在法線方向最佳，隨著波束掃描角度的增大，性能指標(biāo)逐漸惡化，這主要是三方面的原因引起的：其一，極化扭轉(zhuǎn)板的投影口徑隨著掃描角度的增加而減小，將降低天線的口徑利用率；其二，極化扭轉(zhuǎn)板的極化損失隨著掃描角度的增加而增加，增加了天線損耗；其三，天線罩入射角的不一致性隨著掃描角度的增加而惡化，天線波前的相位一致性惡化。而圖中測試結(jié)果的不對稱性主要是天線罩手工敷制造成結(jié)構(gòu)不對稱引起的，這些現(xiàn)象在Ka頻段顯得更為明顯，也較為合理。

5 結(jié)論

為了減少直升機(jī)載雷達(dá)設(shè)備的重量和體積，本文提出一種X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線形式，通過采用組合饋源技術(shù)、雙頻段極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)和寬帶天線罩技術(shù)，實現(xiàn)了直升機(jī)載氣象雷達(dá)和防撞雷達(dá)的共用一副口徑天線工作。天線實測結(jié)果表明，天線技術(shù)指標(biāo)能同時滿足兩種雷達(dá)系統(tǒng)的使用要求，驗證了該天線形式的可行性。

［1］張成偉，高揚.直升機(jī)載雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的作戰(zhàn)環(huán)境及發(fā)展趨勢［J］.電子信息對抗技術(shù)，2010，5（3）：35－38. ZHANG Cheng-wei，GAO Yang.The Special Threat Environment of Helicopter-Borne Radar EW System［J］.Electronic Information Warfare Technology，2010，5（3）：35－38.（in Chinese）

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GUAN Zheng-tao was born in Zizhong，Sichuan Province，in 1978.He received the M.S. degree froMSouthwest Jiaotong University in 2004. He is now a senior engineer.His research concernsmulti-beaMantenna，waveguide slotsarray antenna，microstrip array antenna，and microstrip reflecting array antenna.

Email：zhtguan＠163.com

An X-band and Ka-band Common-aperture Antenna for Helicopter-borne W eather Radar and Collision Avoidance Radar

GUAN Zheng-tao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An offset feed X-band and Ka-band polarization torsion cassegrain antenna is proposed in this paper.To reduce the size and weightofhelicopter-borneweather radarand collision avoidance radar，the dual-band commonaperture antenna is used in the two radar systems.The test results indicate that the side-lobe level of the antenna is no less than－20.2 dB in X-band and－20.6 dB in Ka-band，and that the efficiency of the antenna isno less than 44.8%in X-band and 40.2%in Ka-band in scan range of the beam.The antennameets the requirement of both weather radar and collision avoidance radar，and has engineering application value.

collision avoidance radar；weather radar；common-aperture antenna；polarization torsion cassegrain antenna

The Basic Technology Foundation of the10th Institute of CETC（H10001.5）

date：2013－03－06；Revised date：2013－04－19

中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所基礎(chǔ)技術(shù)基金項目（H10001.5）

??通訊作者：zhtguan＠163.coMCorresponding author：zhtguan＠163.com

TN957.2

A

1001－893X（2013）06－0782－04

官正濤（1978—），男，四川資中人，2004年于西南交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為多波束天線、波導(dǎo)裂縫陣天線、微帶陣天線、微帶反射陣天線。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.022

2013－03－06；

2013－04－19