天線罩對拋物面單脈沖天線極化特性的影響機理和仿真分析

戴幻堯 王建路 周波 莫翠瓊 王正 張學(xué)成

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境國家重點實驗室,洛陽 471003;2.電子工程學(xué)院,合肥 230037;3.總裝駐上海地區(qū)軍代室,上海 201109)

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天線罩對拋物面單脈沖天線極化特性的影響機理和仿真分析

戴幻堯1王建路1周波1莫翠瓊2王正2張學(xué)成3

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境國家重點實驗室,洛陽 471003;2.電子工程學(xué)院,合肥 230037;3.總裝駐上海地區(qū)軍代室,上海 201109)

單脈沖定向技術(shù)是目前最準確的電子定向技術(shù)之一,被廣泛應(yīng)用于微波毫米波跟蹤、監(jiān)視、通信、測量、天文觀測等系統(tǒng). 為了保護雷達天線免受環(huán)境的影響,許多單脈沖天線都采用天線罩,這會對單脈沖天線方向圖的極化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響, 另外,有意的電子欺騙干擾如交叉極化干擾會對定向性能產(chǎn)生較大影響. 文章以雷達導(dǎo)引頭普遍采用的X波段拋物反射面幅度比較單脈沖天線為對象,分析了拋物面結(jié)構(gòu)、初級饋源特性、天線罩引起交叉極化分量的機理,建立了典型物理參數(shù)下的計算模型,在Ludwig第三定義下對加入天線罩前后單脈沖天線交叉極化特性進行仿真,綜合考慮了天線幾何形狀、偏置結(jié)構(gòu)、天線掃描等因素對極化特性的影響.結(jié)果表明:多種因素會引起單脈沖天線顯著的去極化效應(yīng),復(fù)雜的方向圖極化結(jié)構(gòu)使得單脈沖雷達導(dǎo)引頭的定向精度敏感于電波極化方式,這為進一步開展交叉極化對抗單脈沖跟蹤技術(shù)研究提供了重要理論基礎(chǔ).

單脈沖;天線罩;去極化效應(yīng);交叉極化干擾

DOI 10.13443/j.cjors.2015071301

引 言

隨著導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星和宇航技術(shù)的發(fā)展,對跟蹤雷達的跟蹤速度、跟蹤精度、跟蹤距離和抗干擾能力都提出了越來越高的要求[1]．由于采用同時比較波瓣法的單脈沖雷達在技術(shù)上的先進性及精度上的優(yōu)勢,使得單脈沖跟蹤已逐步取代圓錐掃描跟蹤而獲得了廣泛的應(yīng)用[2]．天線罩是導(dǎo)彈、飛機等飛行器上的關(guān)鍵部件之一,常安裝在飛行器前部用于保護雷達天線．理想的天線罩不應(yīng)該影響雷達天線的輻射性能,但實際的天線罩不可避免地會引起天線輻射方向圖的畸變．對單脈沖雷達系統(tǒng),天線罩不僅會引起單脈沖天線波束增益的下降,還會產(chǎn)生其它一些不利影響,例如瞄準誤差和去極化效應(yīng)等．其中,由天線罩引起的去極化效應(yīng)是影響雷達定向性能的關(guān)鍵原因之一,文獻[3-4]就研究了不同極化信號以一定角度入射時引起的定向誤差,但是缺乏定性和定量的分析,難以得到足夠的實驗結(jié)論支撐單脈沖定向精度與各種耦合因素的依賴關(guān)系．因此有必要深入研究和分析天線罩對單脈沖雷達天線引起的去極化效應(yīng)機理以及影響程度．交叉極化干擾是一種新型的精確電子攻擊技術(shù)．以美國為代表的軍事強國的主流電子戰(zhàn)裝備都具備極化對抗能力,例如Northrop Grumman公司的“獵鷹利刃”干擾機,雷聲公司的APECS-II艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)以單脈沖主動雷達導(dǎo)引頭為作戰(zhàn)對象,具有全新的噪聲/欺騙自適應(yīng)交叉極化干擾樣式,能同時對付16個目標;美軍的F-16 CD/Block60具備極化干擾能力．該技術(shù)巧妙地利用單脈沖雷達天線本身固有的方向圖特性,對某種極化信號存在固有的角度跟蹤偏差,若干擾機能夠發(fā)射與雷達極化正交的干擾信號到達雷達天線,并引起雷達天線的交叉極化響應(yīng),就能形成較大的角度跟蹤誤差．極化干擾的效能主要取決于雷達發(fā)射極化參數(shù)的快速測量與跟蹤能力、干擾信號極化和雷達發(fā)射極化的正交水平,以及干擾信號功率在入射方向上與目標信號功率比較的占優(yōu)勢程度．本文以雷達導(dǎo)引頭普遍采用的X波段拋物反射面幅度比較單脈沖天線為對象,綜合考慮初級饋源、拋物面以及天線罩對極化特性影響,天線罩對于雷達天線極化特性影響進行建模和仿真計算,通過分析天線罩引起交叉極化分量的成因,為進一步研究和論證交叉極化干擾技術(shù)的可行性提供重要支撐．

1 單脈沖天線的極化特性

根據(jù)比較回波信號的幅度和相位進而獲得信號到達角信息,單脈沖雷達分為幅度單脈沖、相位單脈沖和幅相單脈沖三大類．無論是幅度還是相位單脈沖,為了確定目標在某一平面的角度(方位、俯仰),都要求同時產(chǎn)生兩個或多個形狀相同的波束．單脈沖雷達導(dǎo)引頭采用的天線主要有三種類型:透鏡、反射器和陣列,每一大類還可分成不同的子類．這里主要討論常用的反射面天線．

拋物面天線系統(tǒng)的幾何形狀引起交叉極化的主要因素是饋源及反射面的曲率．具體的,考慮一個饋源天線,假設(shè)沿k軸線極化,且指向反射器頂點,并分別具有E面和H面方向圖CE(θ0)和CH(θ0).由圖1所示幾何結(jié)構(gòu),一般饋源產(chǎn)生的口徑場可以求得為[5]

(1)

式(1)中,由于E面和H面主方向圖CE(θ0)和CH(θ0)的不平衡,引起了交叉極化(也即y極化場分量),該口徑交叉極化引起了遠場交叉極化．對式(1)的口徑分布積分以求得輻射．考慮x極化短電偶極子,它具有CE=cos θ0和CH=1,此時:

(2)

式(2)括號中的表達式可以簡化為E面(φ0=0°)的-xcos θ0和H面(φ0=90°)的-x．因此,口徑場極化是平行于主平面中的短振子的,而在反射過程中,口徑場和反射場關(guān)系反轉(zhuǎn)．對于非主平面,場分量出現(xiàn)了正交于饋源場(即y分量)的交叉極化．反射器的反射也有這種交叉極化．

根據(jù)A.C.Ludwig曾對天線交叉極化的完整描述,以三種參考極化作為主極化,得出了交叉極化的三種定義[6]．其中,第三定義常用于描述惠更斯源產(chǎn)生的極化波,交叉極化是相同的惠更斯源在孔徑面上旋轉(zhuǎn)90°后產(chǎn)生的極化波．該定義最接近于天線方向圖測量的實際情況,能在通常測量天線方向圖的條件下測出．按照這個定義,當(dāng)被測天線和信標天線最大射束方向互相對準時,令兩天線的極化互相平行,然后轉(zhuǎn)動被測天線所測得的方向圖即為主極化方向圖Ep;當(dāng)兩天線最大射束方向互相對準時,令其極化互相垂直,然后轉(zhuǎn)動被測天線所測得的方向圖即為交叉極化方向圖Eq,表達式如下：

Ep(θ,φ)=Eθ(θ,φ)sin φuθ+Eφ(θ,φ)cos φuφ；

(3)

Eq(θ,φ)=Eθ(θ,φ)cos φuθ-Eφ(θ,φ)sin φuφ.

(4)

式中,Eθ和Eφ分別為uθ和uφ方向的電場分量．利用第三定義,當(dāng)參考源作90°旋轉(zhuǎn)后,任何方向上測得的共極化場和交叉極化場也互換．而以往對于交叉極化的研究和計算通常是在直角坐標系或者球坐標系的主軸方向,它們分別只適用于線極化波和電偶極子產(chǎn)生的極化波,而對于一般情況下的交叉極化,這兩種定義都不夠嚴謹,也不能完全描述清楚,因此這個最符合實際情況的第三定義被廣泛采用．根據(jù)此定義就推導(dǎo)出:拋物面天線即使投影口面場只有主極化分量而沒有交叉極化分量,其輻射場也會產(chǎn)生交叉極化分量．

另外,當(dāng)焦徑比F/D增加時,最大饋電角減小,因此式(2)的第二項減小,導(dǎo)致交叉極化的降低．反過來,焦徑比F/D變小時,交叉極化增大．在雷達導(dǎo)引頭普遍采用單脈沖天線設(shè)計中,天線尺寸、焦徑比、最大饋電角等因素要與實際配套系統(tǒng)指標符合進行設(shè)計,綜合折衷考慮．

2 天線罩的去極化效應(yīng)

2.1 天線罩模型

天線罩通常位于導(dǎo)彈、飛機等飛行器的最前部,是三維復(fù)雜曲面薄壁結(jié)構(gòu),具有流線外形,似鼻錐形拋物面,孔深徑小,結(jié)構(gòu)大且復(fù)雜．考慮常用的典型正切卵形罩,其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]．

圖1 正切卵形天線罩幾何結(jié)構(gòu)示意圖

其橫截面母線滿足關(guān)系式:

(y+E)2+x2=R2, 0≤x≤L,0≤y≤D/2.

(5)

式中: D為天線罩的底部直徑; L為天線罩的高度; R為母線圓弧的半徑; E為母線圓弧的半徑與天線罩底部半徑的差值,這幾個控制參數(shù)之間的關(guān)系為下式:

(6)

2.2 介質(zhì)平板模型

對于電大尺寸天線罩,由于罩面平均曲率半徑較大,在局部范圍可將天線罩壁看作近似的介質(zhì)平板層，如圖2所示．當(dāng)電磁波以入射角θ0入射到介質(zhì)層時,在入射點處,入射波相對于入射平面被分解成垂直極化分量和水平極化分量．這樣電磁波與天線罩壁的相互作用可近似為平面波與介質(zhì)平板之間的作用,天線罩壁的傳輸特性與反射特性可用傳輸線理論分析．其中,反射系數(shù),垂直極化分量和平行極化分量穿過介質(zhì)層的透射系數(shù),可由多層介質(zhì)平板級聯(lián)ABCD傳輸矩陣計算[9]:

(7)

圖2 水平極化和垂直極化分量在介質(zhì)平板中傳播示意圖

假設(shè)共有N層介質(zhì),那么式(7)中:

(8)

式中:

εj為第j層介電常數(shù); μj為第j層磁導(dǎo)率; tan δj為第j層損耗角正切．設(shè)第j層介質(zhì)平板上的折射角θj可根據(jù)斯涅耳定理[8]確定,這樣對于低損耗材料(tan δj?0.1)就可以得到:

(9)

從上述分析過程可以看出,天線罩作為介質(zhì)平板層,由于對入射到其上電磁波的水平極化分量和垂直極化分量的反射系數(shù)和透射系數(shù)不同,導(dǎo)致兩個極化分量通過天線罩時,產(chǎn)生了不同的振幅衰減和相位延遲,從而使得通過天線罩后的兩個極化分量再合成的電磁波與原來的極化狀態(tài)不同,產(chǎn)生去極化效應(yīng)．對于介質(zhì)平板模型的天線罩來說,其影響電磁波垂直極化和水平極化分量傳播的因素主要與天線罩的介質(zhì)材料參數(shù)有關(guān),本文主要考慮三個關(guān)鍵參數(shù):介電常數(shù)εj,損耗角正切tan δj,介質(zhì)板厚度dj．

3 仿真分析

為了獲得天線罩對拋物反射面天線極化特性影響的先驗知識,本文建立X波段天線-天線罩仿真模型,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示．天線罩外形為正切卵形,底部直徑D為18λ0,高度L為45λ0,λ0=3cm．另外,天線罩的材料特性,包括相對介電常數(shù)ε=11、厚度d=1cm、損耗角正切tanδj=0.03．如圖3(b)所示拋物反射面天線,饋源為四個矩形喇叭組合而成．下面分別對加罩前后反射面的極化方向圖進行仿真．

(a)天線罩中的單脈沖天線 (b)拋物反射面單脈沖天線圖3 帶天線罩的拋物面單脈沖天線

3.1 未加罩的拋物反射面單脈沖天線

對于本文仿真的拋物反射面天線,由于反射面的加入,如前面拋物面天線極化特性分析中所述,其極化特性與多個因素有關(guān),這里對不同焦徑比、饋源位置等多種情況下的主極化和交叉極化特性進行了仿真．仿真了焦徑比F/D分別為0.5、0.8、1.2時反射面單脈沖天線E面和波束的主極化、交叉極化方向圖．

仿真結(jié)果表明,由于反射面的加入,和波束方向圖主瓣波束寬度變窄,3dB波束寬度約為6.14°．交叉極化水平增加了10多個dB,對比不同焦徑比時的交叉極化分量,隨著焦徑比的增加,交叉極化分量變小．可以看出,拋物反射面單脈沖天線交叉極化分量較大的原因與反射面有很大關(guān)系．另外,除了饋源本身的特性,饋源的位置也是影響交叉極化特性的重要因素,圖4仿真了當(dāng)焦徑比固定為0.8時,饋源偏置角為5°、15°和20°三種情況時的主極化和交叉極化方向圖．

(a) 偏5°

(b) 偏10°

(c) 偏20°圖4 不同饋源偏置角時的拋物面方向圖

從圖4可以明顯看到,焦徑比一定時,當(dāng)饋源偏置角增大,交叉極化分量就會有明顯增大,這是因為饋源偏置后,惡化了饋源E面和H面方向圖的平衡性,使得交叉極化嚴重．另外,從圖4還可看出,對于和波束的主極化方向圖在中心方向具有最大增益,而交叉極化在中心方向有一個零點,具有與差波束方向圖類似的結(jié)構(gòu)．圖5給出了饋源偏置角度為10°時,差波束的主極化和交叉極化方向圖．可以看出偏置為10°時,不考慮天線罩的影響,和波束的交叉極化抑制比約為-30dB,差波束的交叉極化抑制比約為20dB,在中心方向具有最大增益．根據(jù)圖4和圖5給出的方向圖極化結(jié)構(gòu),以及單脈沖定向原理,單脈沖系統(tǒng)差信號與和信號的復(fù)包絡(luò)比確定了角度誤差信號,因此歸一化后的主極化單脈沖的復(fù)比輸出和交叉極化的單脈沖復(fù)比輸出不僅數(shù)值不同,并且極性不同．增加天線罩后引入的交叉極化分量會更大,下面將給出天線罩以及天線掃描對極化特性的影響程度．

圖5 偏置角10°時差波束的主極化和交叉極化方向圖

3.2 加天線罩后的拋物反射面單脈沖天線

按照圖4(a)給出的仿真示意圖,為了確定去極化效應(yīng)與介質(zhì)材料特性的依賴關(guān)系,本節(jié)主要針對不同介電常數(shù)、損耗角正切以及不同厚度時的極化特性進行仿真．設(shè)定焦徑比都為0.8,相同厚度和相同介電常數(shù),而損耗角正切分別為0.000 5、0.03與0.3時，對加罩拋物面單脈沖天線的極化特性進行了仿真,仿真結(jié)果表明,加天線罩后交叉極化方向在中心方向的零點顯著上升,交叉極化分量明顯增大．從三種不同損耗角正切時的方向圖看,隨著損耗角正切的增大,交叉極化分量水平也隨著變大,其中損耗角正切從0.000 5到0.03變化越大,交叉極化分量變化越明顯,另外,隨著損耗角正切的增加,主瓣第一零點逐漸下降．

3.3 加天線罩后指向角為10°的情形

為了確定加天線罩后去極化效應(yīng)與天線掃描的依賴關(guān)系,仿真了加天線罩后指向角為10°時不同損耗角正切的單脈沖天線方向圖，如圖6所示．從圖6可以看出,當(dāng)天線指向偏移10°時,交叉極化抑制比明顯降低,由原來-50dB的水平下降到-30dB以上的量級,最大時降低至-20dB的水平．在相同的天線指向下,不同損耗角正切情況下極化變化的規(guī)律和指向角沒有偏移時基本一致．

(a) tan δj=0.000 5

(b) tan δj=0.03

(c) tan δj=0.03圖6 加罩后指向角10°時不同損耗角正切的拋物面單脈沖方向圖

3.4 不同介電常數(shù)和厚度天線罩的情形

為了確定天線罩不同介電常數(shù)對單脈沖天線極化特性的影響,進行了大量仿真,比較了不同介電常數(shù)和不同天線罩厚度的情形下極化特性的變化情況,統(tǒng)計結(jié)果的典型值如表1所示．

可以看出,由于不同的材料特性,天線罩對入射波具有不均勻的插入相位延遲和傳輸系數(shù), 使得加罩后的天線方向圖出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變化,進而對極化特性產(chǎn)生了一定影響,但是和天線指向偏移的情況相比,天線材料的影響可以作為次因,在天線罩的作用下天線掃描對單脈沖天線去極化特性產(chǎn)生的影響較大．

表1 不同材料特性的交叉極化抑制比

3.5 結(jié)果分析

通過上面仿真結(jié)果可以得出單脈沖天線交叉極化成因:

1) 幾何形狀、反射面和輻射器不夠完善

拋物面口徑內(nèi)的場分布會因為不夠完善引起交叉極化,兩者交叉極化的相位正好相反．當(dāng)饋源的輻射器偏置時,加劇了這種不平衡性,偏置角越大,交叉極化分量越大．

2) 天線罩材料,壁厚

天線罩加工的不對稱、材料的不均勻、以及天線罩的壁厚等都會對單脈沖天線的交叉極化性能產(chǎn)生影響．即便是完全對稱的天線罩,也會在非主平面內(nèi)因為上下半部對稱點處垂直極化和平行極化分量不同而使交叉極化嚴重．

3) 天線指向角變化

電磁波水平極化和垂直極化分量在介質(zhì)平板中的傳播過程中,對于不同指向角水平極化和垂直極化分量的入射角不同,天線罩對不同入射角所產(chǎn)生的去極化效應(yīng)也不同,因此,對于活動式雷達導(dǎo)引頭天線,天線罩內(nèi)的天線要通過掃描保持和目標電波的入射方向一致,引起天線指向相對罩發(fā)生變化,這會引起顯著的去極化效應(yīng)．

4 結(jié) 論

根據(jù)單脈沖定向理論,主極化響應(yīng)形成的測角輸出和交叉極化響應(yīng)產(chǎn)生的測角輸出不僅數(shù)值不同,而且極性也不同．因此,當(dāng)干擾機發(fā)射的信號有意識的保持和雷達極化正交時,就會使雷達導(dǎo)引頭跟蹤不穩(wěn)定甚至丟失目標．特別是,對于活動式雷達導(dǎo)引頭天線,為了保持與電波入射方向一致,天線指向相對罩會發(fā)生變化,這會引起顯著的去極化效應(yīng),降低天線極化純度,使得交叉極化干擾更加容易起效．本文針對雷達天線罩對單脈沖天線極化特性產(chǎn)生影響的問題,以典型的拋物反射面幅度單脈沖天線為例,仿真了不同情況下單脈沖天線交叉極化變化的規(guī)律,分析了天線罩引起交叉極化分量的原因,研究結(jié)果表明:天線罩的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性是影響單脈沖天線的主要因素,并進一步證實了天線罩的引入會顯著提高單脈沖天線的交叉極化分量,不同材料特性對交叉極化性能的影響不盡相同,計算所得的天線罩對單脈沖天線極化特性的影規(guī)律可用作單脈沖抗干擾技術(shù)的先驗數(shù)據(jù),并為研究利用交叉極化對抗單脈沖跟蹤技術(shù)提供了重要理論基礎(chǔ)．

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戴幻堯 (1982-),男,吉林人,中國洛陽電子裝備試驗中心助理研究員,博士,研究方向為雷達新型干擾、抗干擾技術(shù)與信號處理.

王建路 (1984-),男,河北人,中國洛陽電子裝備試驗中心助理研究員,研究方向為雷達系統(tǒng)模擬及目標特性分析．

周波 (1982-),男,河南人,中國洛陽電子裝備試驗中心助理研究員,研究方向為電磁場與微波技術(shù)、認知雷達、認知無線電技術(shù)等．

Simulation and analysis of radome influence on monopulse antenna polarization characteristic

DAI Huanyao1WANG Jianlu1ZHOU Bo1MO Cuiqiong2WANG Zheng2ZHANG Xuecheng3

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics andInformationSystem,Luoyang471003,China; 2.ElectronicEngineeringInstitution,Hefei230037,China;3.MilitaryRepresentativeofficeinShanghai,Shanghai201109,China)

Monopulse antenna is one of the most exact electronic directional technologies now, and it is extensively used in microwave and millimeter wave tracking, surveillance, communication, measurement and astronomical system. However,in order to protect the radar antenna from environmental influence, lots of monopulse antennas all use radome, which seriously affects on antenna polarization characteristic. In addition, intentional electronic deception jamming such as cross polarization jamming has great impact on the directional performance of monopulse radar. Taking the commonly used amplitude comparison monopulse antenna of X band radar seeker as the object, the mechanism of structure, characteristics, primary source of paraboloid radome which induces cross polarization is studied. Calculation model with typical physical parameters is established. The cross polarization characteristics of monopulse antenna with radome under Ludwig III definition is simulated. Some key factors such as antenna geometry structure, offset angle, antenna scanning is considered. Simulation results show that, many factors may cause the significant depolarization effect, while the complex polarization pattern structure make orientation accuracy of radar seek sensitive to the polarization of waves. This study provides an important theoretical basis for ECM and ECCM technology studies in monopulse tracking area.

monopulse; antenna radome; depolarization effect; cross-polarizatiom jamming

10.13443/j.cjors.2015071301

2015-07-13

國家自然科學(xué)基金(61201236)

TN95

A

1005-0388(2016)03-0604-07

戴幻堯, 王建路, 周波, 等. 天線罩對拋物面單脈沖天線極化特性的影響機理和仿真分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2016,31(3):604-610.

DAI H Y, WANG J L, ZHOU B, et al. Simulation and analysis of radorne influence on monopulse antenna polarization characteristic[J]. Chinese journal of radio science，2016,31(3):604-610. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015071301

聯(lián)系人： 戴幻堯 E-mail: leoneast@163.com