X波段寬帶正交雙線極化天線設(shè)計(jì)

楊亞兵 趙迎超 李緒平 姜世波 湯 暢

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在現(xiàn)代信息化、立體化戰(zhàn)爭(zhēng)中，隨著防空技術(shù)和地(空)對(duì)空武器裝備的發(fā)展，戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)環(huán)境正變得越來越嚴(yán)峻，其先天優(yōu)勢(shì)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。如何有效地提高我軍主戰(zhàn)戰(zhàn)機(jī)在日益復(fù)雜電磁環(huán)境下編隊(duì)突防和生存能力，具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。航空電子技術(shù)與武器裝備體系中，機(jī)載雷達(dá)干擾機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)地面或者空中威脅雷達(dá)實(shí)施有源電子干擾，降低敵方武器系統(tǒng)效能，以實(shí)現(xiàn)有源自衛(wèi)，達(dá)到提高載機(jī)自身戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的目的［2-3］。

某型雷達(dá)干擾機(jī)天線用于X波段機(jī)載雷達(dá)干擾機(jī)系統(tǒng)。由于特殊的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境，該干擾機(jī)系統(tǒng)對(duì)天線性能有特定要求。首先，干擾目標(biāo)為X波段敵方雷達(dá)，屬于非合作、非友好目標(biāo)，其電磁波頻率與極化方式未知，所以干擾機(jī)天線應(yīng)具有寬頻帶、雙線極化特性，對(duì)該頻段敵方水平極化或者垂直極化雷達(dá)均能實(shí)施有效干擾;其次，敵方雷達(dá)具體方位未知，干擾機(jī)天線波束要求能夠覆蓋一定的空域范圍;最后，機(jī)載干擾機(jī)天線必須適應(yīng)載機(jī)特殊的工作環(huán)境條件，沖擊、振動(dòng)、高低溫等環(huán)境適應(yīng)性特性應(yīng)優(yōu)良。

為了滿足系統(tǒng)對(duì)干擾機(jī)天線特定的性能要求，天線電氣性能必須具有X波段全頻段的正交雙線極化特性，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用金屬腔體形式?；趯?duì)稱五端口分支形式的正交模耦合器(OMT)，本文提出了一種新型寬帶正交雙線極化喇叭天線。在理論分析與仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加工了天線工程樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)際調(diào)試與測(cè)試工作。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，在所要求的工作頻段內(nèi)該天線具有優(yōu)良電氣與結(jié)構(gòu)特性，可用于機(jī)載雷達(dá)干擾機(jī)系統(tǒng)。

1 理論分析與仿真設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

考慮到工作帶寬、極化方式以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的實(shí)際要求，采用角錐喇叭形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

調(diào)整角錐喇叭的開口結(jié)構(gòu)尺寸可保證天線特定覆蓋空域的增益要求。為了實(shí)現(xiàn)雙端口正交雙線極化特性，在同一頻率上使用極化方式不同且相互隔離的通道，就要采用正交模耦合器［4-5］。正交模耦合器(OMT)為三端口網(wǎng)絡(luò)，其可鑒別公共端口上兩個(gè)正交主模的獨(dú)立信號(hào)并將它們供給單一信號(hào)端口，使所有端口匹配且在兩個(gè)單一信號(hào)端口之間具有高的極化鑒別能力。圖1所示為天線設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖1 設(shè)計(jì)方案示意圖

1.2 正交模耦合器設(shè)計(jì)

天線工作于X波段全頻段，為了滿足設(shè)計(jì)要求并保留一定的設(shè)計(jì)余量，就需要采用帶寬大于40%的正交模耦合器。但是，常規(guī)設(shè)計(jì)的正交模耦合器帶寬只有10%～15%。

正交模耦合器寬帶化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是公共波導(dǎo)中分支結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因?yàn)楣膊▽?dǎo)內(nèi)易激勵(lì)高次模而制約工作帶寬。經(jīng)分析認(rèn)為，如果分支結(jié)構(gòu)相對(duì)于兩個(gè)主模都是對(duì)稱的，這樣就不易激勵(lì)出高次模，一定程度上抑制了高次模的產(chǎn)生或者使其凋落。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性要求，本設(shè)計(jì)提出了具有雙接頭形式的對(duì)稱五端口分支結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 對(duì)稱五端口分支結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，控制正交極化信號(hào)(TE10和TE01)的公共方波導(dǎo)端口直接正對(duì)縱向雙接頭，該接頭有波導(dǎo)橫截面端口P1和P2。第二個(gè)雙接頭提供端口P3和P4，該接頭由一對(duì)分別位于分支段側(cè)壁的E面T組成。五端口分支內(nèi)部的隔板和側(cè)壁分支端口處的感性金屬柱是影響帶寬和模式匹配的關(guān)鍵。側(cè)壁雙接頭端口的寬帶匹配是通過在分支區(qū)域內(nèi)臺(tái)階金屬隔板實(shí)現(xiàn)的。通過調(diào)整隔板的臺(tái)階數(shù)量和尺寸，可以達(dá)到匹配。隔板與側(cè)壁連接并將縱向雙接頭分隔成端口P1和P2?？v向雙接頭的匹配是通過位于側(cè)壁雙接頭端口處的電感柱來實(shí)現(xiàn)。

由于P1～P4每個(gè)端口的能量為其對(duì)應(yīng)主模能量的一半，因此必須采用功率合成器組合，以便在總端口上提供給定極化總的信號(hào)能量?？v向雙接頭端口P1和P2與圖3中功率合成器A連接實(shí)現(xiàn)極化分離后模式TE10的兩路信號(hào)分量的合成。側(cè)壁雙接頭端口P3和P4與圖4中功率合成器B連接實(shí)現(xiàn)極化分離后模式TE01的兩路信號(hào)分量的合成。

圖3 功率合成器A

根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析，將對(duì)稱五端口分支結(jié)構(gòu)、功率合成器1以及功率合成器2組合得到完整設(shè)計(jì)的正交模耦合器，如圖5所示。

圖4 功率合成器B

圖5 正交模耦合器示意圖

利用Ansoft HFSS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的正交模耦合器進(jìn)行了仿真優(yōu)化，圖6～圖8給出了電性能仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可以看出，在所要求的工作頻段內(nèi)，兩個(gè)正交極化端口電壓駐波比小于1.4，端口隔離度優(yōu)于66dB，插入損耗小于0.15dB。

圖6 正交模耦合器端口仿真電壓駐波比

1.3 雙極化喇叭設(shè)計(jì)

在正交模耦合器設(shè)計(jì)完成以后，按照既定的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了雙極化天線。所設(shè)計(jì)的天線模型如圖9所示。

圖7 正交模耦合器仿真端口隔離度

圖8 正交模耦合器仿真插入損耗

圖9 天線模型示意圖

利用軟件對(duì)該天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化。圖10為工作頻段內(nèi)電壓駐波比隨頻率變化曲線，圖11為兩正交極化端口隔離度隨頻率變化曲線。可見，所設(shè)計(jì)的天線具有優(yōu)良的寬帶正交雙線極化特性。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

在理論分析與仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加工了天線工程樣機(jī)，如圖12所示。在微波暗室環(huán)境條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，主要包括電壓駐波比、極化端口隔離度以及輻射特性(方向圖和增益)等測(cè)試。

圖10 天線仿真電壓駐波比

圖11 天線仿真極化端口隔離度

圖12 天線樣機(jī)照片

由圖13和圖14實(shí)測(cè)結(jié)果可見，在所要求的工作頻段內(nèi)，天線垂直極化端口電壓駐波比最大1.3，水平極化端口電壓駐波比最大1.8，兩極化端口隔離度優(yōu)于50dB。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果略有差異，主要是由于加工精度、測(cè)試環(huán)境等隨機(jī)因素引起的。

圖13 天線實(shí)測(cè)電壓駐波比

圖14 天線實(shí)測(cè)極化端口隔離度

在微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，對(duì)加工的天線樣機(jī)輻射特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)。圖15和圖16為垂直極化端口(Port1)饋電時(shí)，即垂直極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。

圖15 垂直極化俯仰面歸一化方向圖

圖17和圖18為水平極化端口(Port2)饋電時(shí)，即水平極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。而圖19為天線正交雙線極化的實(shí)測(cè)增益。

通過輻射特性實(shí)測(cè)結(jié)果可見，所設(shè)計(jì)的天線正交雙線極化輻射方向圖能夠滿足系統(tǒng)特定的波束覆蓋空域要求。兩種極化帶內(nèi)增益穩(wěn)定，且軸向增益差不超過0.5dB。因此，所設(shè)計(jì)的天線具有優(yōu)良的輻射性能。

圖16 垂直極化方位面歸一化方向圖

圖17 水平極化俯仰面歸一化方向圖

圖18 水平極化方位面歸一化方向圖

3 結(jié)論

圖19 天線實(shí)測(cè)增益

本文介紹了一種可用于X波段機(jī)載雷達(dá)干擾機(jī)系統(tǒng)的喇叭天線，該天線具有X波段全頻段的正交雙線極化特性。設(shè)計(jì)中提出了一種基于對(duì)稱五端口分支形式的正交模耦合器，有效地保證了電氣性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用了金屬波導(dǎo)形式并在局部做了加強(qiáng)，提高了天線的環(huán)境適應(yīng)性。在理論分析與仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加工了天線工程樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線具有優(yōu)良電氣與結(jié)構(gòu)特性，可用于機(jī)載雷達(dá)干擾機(jī)系統(tǒng)。

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