W波段切割拋物面收發(fā)雙天線系統(tǒng)的研究

徐志剛

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元　628040）

W波段切割拋物面收發(fā)雙天線系統(tǒng)的研究

徐志剛

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元628040）

為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，通過(guò)發(fā)展趨勢(shì)、開(kāi)發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵、技術(shù)路線、技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用前景這些方面詳細(xì)介紹了W波段切割拋物面收發(fā)天線系統(tǒng)。其中仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的雙拋物面收發(fā)分置反射面可以很好地將喇叭饋源映射到發(fā)分置反射面雙天線副鏡的焦點(diǎn)。采用物理光學(xué)法對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的幅度方向圖進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示該收發(fā)分置反射面雙天線具有高增益和較高的極化純度。通過(guò)更換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作。

W波段；角錐喇叭；反射面雙天線；系統(tǒng)研究

目前使用較多的毫米波天線有反射面天線、透鏡天線和喇叭天線。除此之外，一些較低頻率的天線也能適用于毫米波頻率，如裂縫偶極子和低介電損耗微帶天線等。然而，在高增益應(yīng)用場(chǎng)合，反射面天線相對(duì)其他種類天線來(lái)說(shuō)，更具有增益大、工作頻段更高、損耗小等優(yōu)勢(shì)。

1）天線幾何尺寸選取的合理性；

2）天線輻射特性的準(zhǔn)確計(jì)算方法；

3）零件制造與檢驗(yàn)，裝配與調(diào)試。

3　技術(shù)路線

1　發(fā)展趨勢(shì)和開(kāi)發(fā)內(nèi)容

由于受應(yīng)用限制，國(guó)內(nèi)的毫米波天線應(yīng)用多在Ka頻段，而在W頻段或更高頻段，未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

本系統(tǒng)是一個(gè)工作在W波段的收發(fā)分置反射面雙天線，通過(guò)更換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作。

反射面天線要在俯仰面產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較寬的波束（2°～3°），而在方位面產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較窄的波束（0.2°～0.5°），因此采用切割拋物面作為收發(fā)天線比較合適，一般情況下，切割拋物面效率很難做高，只能經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)做到最佳。

2　技術(shù)關(guān)鍵

從反射面產(chǎn)生的波束寬度來(lái)看，天線屬于電大尺寸，天線性能取決于以下幾個(gè)方面：

1）采用Ansoft公司的HFSS軟件進(jìn)行饋源仿真設(shè)計(jì)

HFSS仿真技術(shù)已十分成熟，可用于饋源設(shè)計(jì)，根據(jù)天線邊緣照射電平要求，設(shè)計(jì)調(diào)整喇叭的口徑尺寸及喇叭長(zhǎng)度，適當(dāng)考慮饋源的駐波要求。

2）采用物理光學(xué)法計(jì)算拋物面天線的輻射特性

由于天線屬于電大尺寸，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)行速度的限制，軟件仿真法已不適用于天線輻射特性的計(jì)算，我們采用物理光學(xué)法計(jì)算拋物面天線的輻射特性，其計(jì)算過(guò)程如下：

①建立計(jì)算用饋源理論模型

實(shí)際喇叭的仿真特性與計(jì)算用饋源理論模型的特性有差異，通過(guò)在不同的角度區(qū)域，改變理論模型的口徑，使其逼近實(shí)際喇叭的仿真特性，減少計(jì)算誤差，我們以采用此方法成功設(shè)計(jì)過(guò)Ka波段副瓣小于-30 dB的天線。

②偏置切割拋物面特性參數(shù)計(jì)算

建立計(jì)算坐標(biāo)系（見(jiàn)圖1），拋物面焦點(diǎn)位于坐標(biāo)系XYZ的原點(diǎn)，那么其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，-f）。

復(fù)電場(chǎng)可表示為：

可以將復(fù)電場(chǎng)化為標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)，標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為繁瑣，這里從略。

圖1　拋物面天線輻射場(chǎng)計(jì)算坐標(biāo)Fig.1　Paraboloid antenna radiation field calculation coordinates

計(jì)算標(biāo)量遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，是將積分化為求和進(jìn)行的，考慮到我們計(jì)算時(shí)的波長(zhǎng)約4 mm，求和時(shí)xy方向的網(wǎng)格劃分小于1 mm×1 mm

3）結(jié)構(gòu)要求

若采用鍛鋁進(jìn)行高速銑精密加工，拋物面形面誤差小于0.02。若用碳纖維復(fù)合材料制造，拋物面形面誤差小于0.05。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小0.02），重量要輕。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工

天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，故材料采用為碳纖維復(fù)合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。

拋物面模具加工分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應(yīng)力消除），精加工成型為了保證拋物面形面，采用工裝夾具和數(shù)控加工。工裝夾具精度要求更高。天線外形尺寸700×100×140，重量約3 kg。

喇叭采用整體線切割成形。彎波導(dǎo)采用線切割焊接成型，最終通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)。若焊接不能保證電氣要求，就采用電鑄整體成形。

4　技術(shù)指標(biāo)

天線形式：上下布置的切割拋物面收發(fā)雙天線（收發(fā)可互換）

工作頻率范圍：80.GHz±800 MHz

天線水平孔經(jīng)：約700 mm

增益：≥45 dB

副瓣電平：≤-25 dBc（最好達(dá)-28 dBc）

收發(fā)隔離度：≥30 dB

極化：垂直/水平/圓

方位波束寬度：0.4°±0.02°

俯仰波束寬度：2.4°±0.1°

駐波：1.1∶1

天線接口：WR12波導(dǎo)+UG387/u法蘭

收發(fā)饋線損耗：（1.5+1.5）dB

裝配要求：收發(fā)天線整體裝配，電軸保持一致

天線重量：盡可能輕

其他要求：有瞄準(zhǔn)鏡波束瞄準(zhǔn)裝置，有調(diào)平裝置，保證方位掃描時(shí)天線俯仰指向不變，溫度變化時(shí)天線性能不發(fā)生明顯變化。

5　應(yīng)用前景

本系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)場(chǎng)和航空母艦跑道監(jiān)視雷達(dá)應(yīng)用研制的，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)幾乎所有的機(jī)場(chǎng)在飛機(jī)起降間隔內(nèi)，都是乘巡道車采用人工巡視的方法檢查跑道上有多類似于螺釘?shù)日系K物的，毫無(wú)疑問(wèn)，這將費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且可靠性也不會(huì)高。英國(guó)QinetiQ公司2006年開(kāi)發(fā)出外來(lái)物體碎片 （FOD）（Foreign Object Debris）自動(dòng)檢測(cè)儀Tarsier，可以替代人工進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道監(jiān)視。

據(jù)消息國(guó)內(nèi)已有機(jī)構(gòu)在開(kāi)發(fā)類似的收發(fā)機(jī)和信號(hào)處理器，作為配套的天線系統(tǒng)，無(wú)疑有著廣闊的市場(chǎng)前景。

團(tuán)隊(duì)擁有Ansoft公司的HFSS軟件及天線設(shè)計(jì)程序包，有工程經(jīng)驗(yàn)豐富的天線專業(yè)設(shè)計(jì)師，完全可以自主設(shè)計(jì)天線。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工

1）喇叭加工采用整體線切割成形。彎波導(dǎo)采用線切割焊接成型，最終通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)。

2）加工天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，拋物面形面誤差小于0.1，為了保證精度，提高模具精度，采取嚴(yán)格工藝方法。材料和膠選擇上嚴(yán)格把關(guān)，可以保障天線精度。碳纖維復(fù)合材料天線重量更輕，環(huán)境影響更小，適應(yīng)大批量生產(chǎn)。故材料采用為碳纖維復(fù)合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。

拋物面模具加工要求比較高，模具分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應(yīng)力消除），精加工成型。為了保證模具拋物面形面，正確選拝工裝夾具和數(shù)控加工。

若用碳纖維復(fù)合材料制造，拋物面形面誤差小于0.10。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小0.02），

3）調(diào)試設(shè)備和儀表與081總廠和電子科大合作。而波束寬度窄，轉(zhuǎn)臺(tái)精度高，沒(méi)有合適轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)試工裝自己制造。

4）天線架子加工：天線架子采用鋁板加工，保證安裝加工精度。天線與安裝架子精度靠銷子定位，同時(shí)用工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖2）。喇叭位置由架子定位孔安裝，同時(shí)用工裝檢驗(yàn)。最終通過(guò)調(diào)試決定。瞄準(zhǔn)鏡跟據(jù)天線電氣固定。天線架子高約600 mm，安裝喇叭隔板長(zhǎng)約510 mm。安裝天線支架底板為320×320 mm。總重量約20 kg［7］。

6　結(jié)　論

圖2　天線與安裝支架底板Fig.2　Antenna and the floor mounting bracket

該設(shè)計(jì)的雙拋物面收發(fā)分置反射面可以很好地將喇叭饋源映射到發(fā)分置反射面雙天線副鏡的焦點(diǎn)。采用物理光學(xué)法對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的幅度方向圖進(jìn)行仿真換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］李高升．拋物面天線饋源偏焦的理論及應(yīng)用研究［J］．雷達(dá)與對(duì)抗，2004（3）：39-41.

［2］李鵬．考慮饋源位置誤差的面天線機(jī)電耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子學(xué)報(bào)，2010（6）：2-4.

［3］王偉．機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)反射面天線電性能的影響機(jī)理及其應(yīng)用［J］．西安電子科技大學(xué)，2011（10）：39-51.

［4］陳志華.星載拋物面天線賦形方法及熱分析研究［J］.浙江大學(xué)，2008（6）：18-25.

［5］楊東武.拋物面索網(wǎng)天線的最佳型面設(shè)計(jì)方法［J］.機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2011（9）：125-127.

［6］潘貽亮.導(dǎo)彈天線罩精密修磨機(jī)床的CAM軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.大連理工學(xué)報(bào)，2003（5）：16-32.

［7］何克強(qiáng)，譚偉.雙反射面天線近場(chǎng)等效增益快速估算［J］.微波學(xué)報(bào)，2014（S2）：137-140.

Research on W band cut parabolic of the reflection planedouble antenna system

XU Zhi-gang
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628040，China）

In order to meet the market demand，the author through these aspects of development trend，development content，key technology，technical route，technical index and application prospect，who introduces the W band cut parabolic antenna transceiver system in detail.The simulation results show that the focus of double paraboloid transceiver design division reflector which can very well be feed horn is mapped to the hair splitting reflector double antenna side mirror.Simulation analysis of the whole antenna amplitude diagram of the system by using the physical optics method，the results show the polarization purity in the bistatic reflection plane double antenna with high gain and high.By changing the feed，the antenna can be online/circular polarization state work.

W band；pyramidal horn；reflection plane double antenna；system study

TN928

A

1674-6236（2016）03-0104-03

2015-02-26稿件編號(hào)：201502133

徐志剛（1962—），男，福建浦城人，副教授。研究方向：電子信息。