雙頻段雙極化星載降水測量雷達(dá)天線設(shè)計(jì)

方　剛　張玉梅（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥230088）

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雙頻段雙極化星載降水測量雷達(dá)天線設(shè)計(jì)

方剛*張玉梅
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥230088）

為了解決雙頻段雙極化星載降水測量雷達(dá)的波束寬度匹配和波束指向匹配問題，該文提出雙頻雙極化共孔徑饋源照射拋物柱反射面天線的方案。共孔徑饋源Ku頻段采用微帶天線，Ka頻段采用波導(dǎo)縫隙天線，兩者層疊交錯排列在一起。實(shí)測結(jié)果表明，波束寬度匹配指標(biāo)和波束指向匹配指標(biāo)與美國國家航空航天局正在研發(fā)的第2代星載降水測量雷達(dá)的指標(biāo)相當(dāng)。相對于第2代星載降水測量雷達(dá)天線采用的分置式饋源，該文給出的共孔徑饋源具有占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，適用于星載平臺。

共孔徑天線；星載降水測量雷達(dá)；雙頻段；雙極化；拋物柱反射面

1　引言

星載降水測量雷達(dá)（Precip itation Radar，PR）天線的發(fā)展趨勢是雙頻段雙極化［1］。美日聯(lián)合研制的熱帶降水測量（tropical rainfallmeasuring m ission）衛(wèi)星上的PR［2，3］天線工作于單頻段單極化，已于1997年開始投入使用。美國已開展的全球測雨任務(wù)（globalprecipitationmeasurem ent）中的雙頻段降水測量雷達(dá)（dual-frequency p recipitation radar）天線［4，5］工作于雙頻段單極化，已于2013年開始投入使用。美國國家航空航天局（National Aeronauticsand Space Adm inistration，NASA）正在研制的第2代星載降水測量雷達(dá)（The second generation precipitation radar，PR-2）天線［6］工作于雙頻段雙極化。

雙頻段雙極化星載PR天線可供選擇的形式有平面陣列天線［2，4］和反射面天線［6］兩種形式。為了獲得大的覆蓋范圍和高的分辨精度，同時又具有低的天線載荷，常采用反射面天線［6，7］。對于采用反射面天線的雙頻段雙極化星載PR，需要解決兩個頻段兩種極化的波束寬度匹配、波束指向匹配問題。這里所說的波束寬度匹配、波束指向匹配是指不同頻率不同極化下的波束寬度相等的程度和波束指向一致的程度。NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）和加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California at Los Angeles）正在研制的PR-2的天線形式是偏饋拋物柱面天線，采用的是分置式饋源［6］，兩個頻段的饋源形式都是1維喇叭陣。本文給出了一種新的饋源方法［8］，即混合雙頻段雙極化共孔徑饋源，低頻段饋源采用微帶陣，高頻段饋源采用波導(dǎo)開槽天線陣。實(shí)測結(jié)果表明，該共孔徑饋源產(chǎn)生的次級波瓣圖的波束寬度匹配指標(biāo)和波束指向匹配指標(biāo)與NASA研發(fā)的PR-2相當(dāng)。由于饋源采用反相饋電，實(shí)測的交叉極化指標(biāo)也與NASA研發(fā)的PR-2相當(dāng)。此外，相對于分置式饋源，共孔徑饋源具有占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，更適用于星載平臺。

2　天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

本天線是一部雙頻段（Ku頻段13.6 GHz&Ka頻段35.5 GHz）雙極化（Ku頻段HH&HV極化，Ka頻段單極化）反射面天線。首先，給出波束寬度比和波束指向比的定義，用波束寬度比表征波束寬度匹配的程度，用波束指向比表征波束指向匹配的程度。令HPKuH表示Ku頻段水平極化的波束寬度，HPKuV表示Ku頻段垂直極化的波束寬度，HPKaH表示Ka頻段水平極化的波束寬度，Rt_HPKuHV表示Ku頻段水平極化和垂直極化的波束寬度比，Rt_HPKuHKaH表示Ku頻段水平極化和Ka頻段水平極化的波束寬度比，Rt_HPKuVKaH表示Ku頻段垂直極化和Ka頻段水平極化的波束寬度比，定義

BPKuH表示Ku頻段水平極化波束指向，BPKuV表示Ku頻段垂直極化波束指向，BPKaH表示Ka頻段水平極化波束指向，Rt_BPKuHV表示Ku頻段水平極化和垂直極化的波束指向比，Rt_BPKuHKaH表示Ku頻段水平極化和Ka頻段水平極化的波束指向比，Rt_HPKuVKaH表示Ku頻段垂直極化和Ka頻段水平極化的波束指向比，定義

由式（1）～式（6）可知，波束寬度比和波束指向比越接近1，表明波束寬度匹配和波束指向匹配越好。在星載降水測量雷達(dá)中，好的波束寬度匹配和波束指向向匹配，可以提高雷達(dá)的測量精度和測量效率。因此，主要從兩個方面進(jìn)行天線設(shè)計(jì)：

第一，就是達(dá)到好的波束寬度比。眾所周知，波束寬度和增益成線性反比，增益的表達(dá)式如式（7）所示。

其中，λ表示波長，Ae表示天線有效口徑面積。

由于衛(wèi)星空間受限，同時，從天線折疊展開機(jī)構(gòu)的可靠性角度考慮，星總體要求Ku頻段和Ka頻段共用一個反射面。因?yàn)镵u頻段的波長比Ka頻段的波長大4.2 dB，所以，為了達(dá)到好的波束寬度比，即兩個頻段的增益應(yīng)盡量相近，由式（7）可知，Ku頻段的天線有效口徑面積必須要比Ka頻段的天線有效口徑面積大8.4 dB，因此，解決思路是Ku頻段饋源的主瓣照射到反射面，而Ka頻段饋源的主瓣和鄰近副瓣照射到反射面，以減少Ka頻段整個天線有效口徑面積，從而達(dá)到兩個頻段好的波束寬度匹配。

第二，就是達(dá)到好的波束指向比。眾所周知，反射面天線的波束指向與饋源的放置位置密切相關(guān)。對于雙頻段雙極化反射面天線，饋源天線有2種放置方法，一種是分置式，即兩個頻段的饋源放置在不同位置［5］；另一種是兩個頻段的饋源采用相位中心重合的共孔徑設(shè)計(jì)。本文采用共孔徑方案，原因是：Ka頻段饋源天線的副瓣需要照射到反射面上，則Ka頻段饋源天線在方位向必定要組成陣列，這樣與Ku頻段饋源天線的相位中心距離過大，兩個頻段的次級波瓣圖的波束指向偏離會變大，波束指向比會變差，因此，會導(dǎo)致差的波束指向匹配。當(dāng)采用兩個頻段的饋源相位中心重合的共孔徑設(shè)計(jì)時，因?yàn)橄辔恢行氖侵睾系?，所以，所形成的次級波瓣圖的波束指向會比較一致。

雙頻雙極化共孔徑天線大多數(shù)采用同類型天線形成共孔徑［912］-，采用不同類型天線形成共孔徑［13］的文獻(xiàn)相對較少，本文設(shè)計(jì)思路是波導(dǎo)加微帶的混合共孔徑，即Ka頻段饋源采用波導(dǎo)開槽形式，Ku頻段饋源采用微帶形式，微帶天線放置在波導(dǎo)上面，形成共孔徑形式。Ku頻段天線單元按極化形式依次錯開，放置在Ka頻段天線單元之間。沒有選用傳統(tǒng)的兩個頻段兩種極化都是微帶形式的好處是：在Ka頻段，采用波導(dǎo)裂縫形式而非微帶形式，可以降低加工和組裝精度要求，這樣既能確保設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性，Ka頻段波導(dǎo)又能做為Ku頻段微帶天線的結(jié)構(gòu)支撐，省去了Ku微帶天線的結(jié)構(gòu)支持。

2.2具體設(shè)計(jì)

反射面形式眾多，有簡單拋物面、雙彎曲反射面、卡塞格倫天線等。我們選擇垂直拋物柱面，即拋物柱面的焦線垂直于方位向。星載降水測量雷達(dá)選用垂直拋物柱面具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）距離向可以實(shí)現(xiàn)波束電掃描，能夠提高數(shù)據(jù)率；（2）距離向的波瓣由饋源決定，易于實(shí)現(xiàn)距離向波束寬度匹配和波束指向匹配?？紤]到副瓣電平、交叉極化，以及平臺給天線預(yù)留的最大空間為2.4 m（高）×1.2 m（寬）×1 m（深），選用偏饋拋物柱反射面天線，拋物線方程y2=4Fz，焦距F=840 mm，拋物柱面高Dy=2400 mm。

由于距離向的波瓣由饋源決定，易于實(shí)現(xiàn)距離向波束寬度匹配和波束指向匹配，所以，本文將著重介紹方位向的波束寬度匹配和波束指向匹配。

首先，假設(shè)一組饋源陣列規(guī)模，采用解析法計(jì)算饋源的陣列方向圖。設(shè)饋源平面由M N×個天線單元組成，則饋源遠(yuǎn)場方向圖為

其中，mn號單元的激勵電流為Imn，方向圖函數(shù)為位置矢量為把饋源遠(yuǎn)場方向圖（，）Eθφ代入到FEKO軟件中，該軟件的作用是計(jì)算反射面的次級波瓣圖。通過計(jì)算出來的次級波瓣圖可以得出Ku頻段水平極化和垂直極化的波束寬度和波束指向，以及Ka頻段水平極化的波束寬度和波束指向，再利用式（1）～式（6）進(jìn)行波束寬度比和波束指向比計(jì)算。通過不斷修改饋源陣列規(guī)模、饋源偏置角和饋源偏置距離，直到找到波束寬度比和波束指向比的最小值為止。

經(jīng)過計(jì)算，得出饋源參數(shù)如下：饋源偏置總照射角為105.39°，饋源偏置角為64.19°，饋源偏置距離100h=mm；Ku頻段饋源水平極化陣列規(guī)模為2個（方位向）×32個（距離向），方位向單元間距為12mm，根據(jù)距離向17±°的掃描需求，距離向單元間距為14.2mm；垂直極化為2個（方位向）×32個（距離向），方位向單元間距為12.5mm，根據(jù)距離向17±°的掃描需求，距離向單元間距為14.2mm。Ka頻段饋源需要主瓣和一個副瓣照射在反射面上，Ka頻段饋源陣列規(guī)模為4個（方位向）×32個（距離向），方位向單元間距為7mm，根據(jù)距離向8.5±°的掃描需求，距離向單元間距為7.1mm。拋物柱反射面2維示意圖如圖1所示。需要說明的是，距離向的單元數(shù)32和距離向的掃描角可以根據(jù)距離向波瓣寬度和實(shí)際的掃描范圍改變，選取這組值是為了和后面的設(shè)計(jì)值以及測試值一致。

在上述計(jì)算過程中，假設(shè)單元的方向圖函數(shù)相同，單元的激勵也相同。雖然在方位向兩個頻段的單元數(shù)較少，單元方向圖函數(shù)相同的假設(shè)未必滿足，實(shí)際的單元激勵也未必相同，但是，這些并不影響?zhàn)佋吹脑敿?xì)設(shè)計(jì)。因?yàn)槲ю佋春筒▽?dǎo)縫隙陣饋源是以上面得出的參數(shù)作為起始值，再進(jìn)行饋源天線單元和饋源天線陣列具體參數(shù)的設(shè)計(jì)，然后把包括單元方向圖和激勵影響的饋源陣列方向圖代入到FEKO軟件，該軟件的作用是計(jì)算反射面的次級波瓣圖。通過次級波瓣圖計(jì)算兩個頻段兩種極化下的波束寬度比和波束指向比。下面給出饋源天線設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1　拋物柱反射面2維示意圖

如前所示，最終的格局是Ku頻段微帶天線放置在Ka頻段波導(dǎo)上面，形成共孔徑形式，如圖2所示。最上面是微帶板，最下面是波導(dǎo)陣列天線，兩邊的鋁板用來支撐微帶板。

圖2　雙頻雙極化共孔徑饋源安裝圖

Ku頻段微帶板正面如圖3所示，該頻段水平極化和垂直極化均采用矩形貼片單元，尺寸分別是6.33 mm×3.60 mm，6.52 mm×3.30mm。微帶板背面如圖4所示，其中的矩形為腐蝕掉的金屬，是為了避開下面的波導(dǎo)輻射縫。外徑為0.9mm，內(nèi)徑為0.4mm的圓環(huán)是微帶天線的饋電部分。

圖3　微帶板正面

圖4　微帶板背面

Ka頻段波導(dǎo)開槽陣列天線俯視圖如圖5所示。每根波導(dǎo)上的1，2，3，4表示開的槽，尺寸依次是3.85mm×1.00mm，3.93 mm×1.00mm，3.94mm ×1.00 mm，3.84 mm×1.00 mm，與每根波導(dǎo)縱向?qū)ΨQ軸的距離依次是0.37mm，0.83mm，0.83mm，0.33mm。圖5中的孔5、孔6和虛線圓分別是Ku頻段水平極化、垂直極化和Ka頻段波導(dǎo)的饋電孔。

圖6是Ka頻段波導(dǎo)開槽陣列天線側(cè)視圖，該圖主要描述了Ka頻段和Ku頻段饋電連接器的位置關(guān)系。

3　實(shí)測結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，加工了一套拋物柱反射面天線和一套共孔徑饋源天線，雙頻雙極化共孔徑饋源如圖7所示。饋源天線的駐波由Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得，整個天線的方向圖在尺寸為26 m（長）×23m（寬）×18 m（高）的近場屏蔽暗室（屏蔽性能優(yōu)于90 dB-）進(jìn)行測試。

圖5　波導(dǎo)開槽陣列天線俯視圖

圖7　雙頻雙極化共孔徑饋源

圖8　 Ku頻段饋源端口駐波

圖9　 Ka頻段饋源端口駐波

圖6　波導(dǎo)開槽陣列天線側(cè)視圖

首先，對饋源天線的駐波進(jìn)行測試。兩個頻段的同軸饋電口加起來共96個，由于篇幅有限，現(xiàn)給出中頻駐波測試結(jié)果，圖8表示Ku頻段（13.6GHz）駐波測試結(jié)果，圖9表示Ka頻段（35.5GHz）駐波測試結(jié)果。其中，橫軸表示饋電端口，縱軸表示駐波值。

由圖8和圖9可知，兩個頻段的駐波都不是很好，仿真結(jié)果也是這樣，帶來的問題是增加衛(wèi)星功率需求。若改善駐波，除了次級波瓣圖的波束指向匹配性、波束寬度匹配性急劇惡化，副瓣電平也急劇變差，帶來的問題是星載降水測量雷達(dá)的某些整機(jī)指標(biāo)會變差。因此，在最終的上星方案時，需要星總體做一個整體的權(quán)衡。此外，在后續(xù)的工作中，可以試圖尋找其他類型的天線單元，在波束指向匹配性、波束寬度匹配性、副瓣電平、天線駐波之間達(dá)到一個更好的平衡。

其次，對饋源天線的隔離度進(jìn)行了測試。因?yàn)轲佋刺炀€端口比較多，這里只給出饋源最遠(yuǎn)端天線單元和中間天線單元的隔離度。由表1可知，Ku頻段兩個極化間的隔離度優(yōu)于37 dB，而Ku頻段與Ka頻段間的隔離度優(yōu)于36 dB。

最后，測試天線次級波瓣圖，以驗(yàn)證兩個頻段兩種極化的波束寬度的匹配性和波束指向的匹配性。Ku頻段進(jìn)行了42種波位測試，Ka頻段進(jìn)行了15種波位測試。這里只給出Ku和Ka兩種頻段中頻法線方向的波瓣圖，如圖10～圖12所示。整理其它波位的測試結(jié)果，得到的方位向波束寬度和波束指向見表2，交叉極化見表3，方位向波束寬度比和波束指向比見表4。由圖10～圖12和表2～表4可知，在整個波束掃描范圍內(nèi)（8.5）±°天線波束寬度比為1.295，波束指向比最大值為2.167，交叉極化優(yōu)于24 dB-。

表1　實(shí)測饋源隔離度

圖10　 Ku水平極化波瓣圖（13.6 GHz）

圖11　 Ku垂直極化波瓣圖（13.6 GHz）

圖12　 Ka水平極化波瓣圖（35.5 GHz）

4　結(jié)束語

本文給出了一種雙頻段（Ku&Ka）雙極化（Ku頻段HH&HV極化，Ka頻段單極化）拋物柱反射面天線設(shè)計(jì)方法。實(shí)測結(jié)果表明，在整個波束掃描范圍內(nèi)（8.5）±°內(nèi)，天線波束寬度比最大值為1.295，與NASA公布的1.4［6］相當(dāng)；天線波束指向比，同頻段最大值為1.667，雙頻段最大值為2.167，與NASA公布的2［6］相當(dāng)；交叉極化優(yōu)于-24 dB，與NASA的-25 dB［6］相當(dāng)。后續(xù)工作可以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化天線駐波、天線副瓣和交叉極化。我國的星載降水測量事業(yè)正處在蓬勃發(fā)展期［14，15］，該文提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，希望能對星載降水測量雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)起到拋磚引玉的作用。

表2　實(shí)測方位向波束寬度和波束指向

表3　實(shí)測交叉極化值

表4　方位向波束寬度比和波束指向比

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方剛：男，1979年生，博士，高級工程師，研究方向?yàn)槲⒉ㄌ炀€技術(shù)、雷達(dá)總體設(shè)計(jì)技術(shù).

張玉梅：女，1961年生，碩士，研究員，研究方向?yàn)槌透卑晏炀€技術(shù)、相控陣天線技術(shù)、微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).

Design of Dual-band Dual-polarized Spaceborne Precipitation Radar Antenna

FANG Gang ZHANG Yum ei
（The 38th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

In order to achieve thematched beam s goal of the dual-band dual-polarized spaceborne p recipitation radar，the solution that a shared aperture feeding array illum inates the parabolic cylindrical reflector is p roposed. The shared aperture feeding array using ofm icrostrip patches for Ku band and waveguide slots for Ka band is proposed.The interleaved layout is selected to con figurate the shared aperture feeding array.Themeasured results reveal that the beam w idth and the beam point are sim ilarw ith that of the Second Generation Precip itation Radar，which is supported by National Aeronau tics and Space Adm inistration.The second generation precipitation radar antenna isa reflector offset-fed by two separated arrays.The volume of the shared aperture feeding array is smaller than that of two separated arrays，which ismore app licable to the satellites.

Shared aperture antenna；Spaceborne p recipitation radar；Dual-band；Dual-polarization；Parabolic cylindrical reflector

TN957.2

A

1009-5896（2016）08-1977-07

10.11999/JEIT 160016

2016-01-04；改回日期：2016-05-30；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-06-24

方剛fang_gang@126.com