新型C/S雙頻饋源

楊 東

(西北電子設(shè)備研究所 西安 710065)

0 引言

隨著技術(shù)水平發(fā)展，多功能天線技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在多頻段、寬頻帶等方面[1]，工作在C頻段單脈沖測量雷達(dá)和S頻段的連續(xù)波遙測雷達(dá)共面天線就是其中一個實例，該天線實現(xiàn)兩種不同頻段、不同工作體制的跟蹤測量功能，同時S頻段單脈沖遙測雷達(dá)還為C頻段雷達(dá)完成對目標(biāo)的初級捕獲，從而具有自引導(dǎo)功能。C頻段雷達(dá)工作模式是傳統(tǒng)的三通道體制，整個雷達(dá)系統(tǒng)具有測速、測距、測角及單脈沖跟蹤功能，因此可作為通用雷達(dá)應(yīng)用在多種實驗測試任務(wù)。

對于單脈沖天線來講，應(yīng)用較多的典型饋源是多喇叭饋源，相對于多喇叭饋源，單喇叭多模饋源和差矛盾小[2]，主要應(yīng)用在方波導(dǎo)系統(tǒng)中，而圓波導(dǎo)多模饋源、尤其是應(yīng)用了四種模式的圓波導(dǎo)多模自跟蹤饋源應(yīng)用極少，這也是所謂新型之處。

1 饋源組成

C/S雙頻饋源做為初級照射器，用于修正型卡塞格倫雙鏡天線，主要由嵌套的組合喇叭和各自的饋電網(wǎng)絡(luò)組成，組合喇叭中C波段喇叭位于中心，是由波紋喇叭構(gòu)成，四周是S波段的四個扇形光壁喇叭，如圖1所示。

C波段饋電網(wǎng)絡(luò)部件主要有TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、差模合成網(wǎng)絡(luò)、圓極化器等部件，構(gòu)成原理框圖分別如圖2所示。

S波段饋電網(wǎng)絡(luò)部件主要有扇形口面的喇叭、濾波器、極化器、和差網(wǎng)絡(luò)等部件，構(gòu)成原理框圖分別如圖3所示。

2 工作原理

S波段仍然采用傳統(tǒng)四喇叭結(jié)構(gòu)，利用和差網(wǎng)絡(luò)形成三通道信號，其工作原理不再詳述。

對于C頻段饋源，為實現(xiàn)C波段和、差三路單脈沖信號要求，采用TE01模、TE21模、TM01模多模合成技術(shù)，通過斜率等化合成形成脈沖雷達(dá)的方位、俯仰差路跟蹤信號，其工作原理如圖4所示。

多模組合的單脈沖自跟蹤饋源具有與四喇叭單脈沖饋源相似的和差通道功能，對波紋喇叭來講，和、差通道的性能由圓波紋喇叭性能決定，各模式的正交性決定和差喇叭是共用的，相當(dāng)于在和模性能最優(yōu)的同時，差模也達(dá)到了最優(yōu)，可以說從根本上解決了多喇叭體制的和差矛盾。

另外，多模單脈沖(特別是圓波導(dǎo)多模單脈沖)自跟蹤饋源的零深是由模耦合器結(jié)構(gòu)對稱性所決定的。通常情況下，圓波導(dǎo)的跟蹤模耦合器在加工上可以保證具有極高的結(jié)構(gòu)對稱性，差波束零深通?？梢詢?yōu)于-40dB(與差峰值歸一)，并可在20%以上頻帶內(nèi)得到零點的一致性和良好的匹配。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 組合喇叭

組合喇叭的設(shè)計原則是保證C頻段喇叭對副反射面邊緣照射電平為前提，兼顧S波段喇叭照射效率。

C波段圓錐波紋喇叭的設(shè)計是非常成熟的技術(shù)，波紋喇叭具有輻射方向圖等化好、相位中心穩(wěn)定、體積小等特點，設(shè)計時，利用模式匹配法優(yōu)化口面直徑、張角、波紋槽參數(shù)使喇叭達(dá)到和方向圖等化要求，并使喇叭邊緣照射電平約為-15dB左右，為了減小S波段喇叭間距，使空間排放緊湊，口徑利用面積盡可能大，C頻段波紋喇叭采用了輻射口為光壁的復(fù)合型波紋喇叭，由于喇叭后口要滿足TE01模傳輸，輸入口半徑需要滿足1.64r≥λmin，該口徑對于TE11、TE21和TM01模來講駐波非常好，因此波紋喇叭的環(huán)加載設(shè)計只需考慮TE01模的駐波，波紋槽參數(shù)以主模方向圖等化為設(shè)計依據(jù)，最終確定喇叭張角為16°，口面直徑為270mm(含喇叭壁厚)。

將設(shè)計好的波紋喇叭在電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行了計算，圖5為和模方向圖和增益。

波紋喇叭各差模(TE01模、TE21模、TM01)的增益差值在1dB內(nèi)，只需按照設(shè)定各差模的相差后進(jìn)行疊加，就可計算出差模合成后的方向圖，如圖6所示。

當(dāng)中心C喇叭口徑尺寸確定后，S頻段喇叭口徑就決定了四喇叭的陣間距，這樣S頻段和差方向圖就被確定，圖7、圖8為S頻段和差方向圖，方向圖包含主極化和交叉極化的Ф方向多個角度的切面。

當(dāng)然，組合喇叭可以根據(jù)不同頻段的不同用途和具體要求，在C、S兩個頻段的饋源輻射特性上進(jìn)行取舍，并結(jié)合天線的賦形設(shè)計有效提高天線效率，降低旁瓣電平[3]來進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

3.2 差模耦合器

3.2.1 TE01模耦合器

TE01模耦合器要求對圓波導(dǎo)中的TE01模實現(xiàn)0dB的耦合,而對圓波導(dǎo)中的主模(TE11模)和其它高次模則要求不耦合或很小耦合，其實質(zhì)是一個選模式定向耦合器。

耦合器結(jié)構(gòu)上由中間能傳輸TE01模的圓波導(dǎo)及外圍的八根傳輸TE10模的矩形副波導(dǎo)組成，通過公共臂的耦合小孔陣實現(xiàn)對TE01模的耦合，矩形波導(dǎo)的主模TE10模傳播常數(shù)與圓波導(dǎo)中的TE01模的傳播常數(shù)相等，TE01模才能保證實現(xiàn)0dB的耦合。進(jìn)入副波導(dǎo)后的耦合信號通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換進(jìn)入由帶線構(gòu)成的八合一的功分網(wǎng)絡(luò)相加后輸出，如圖8所示。功分網(wǎng)絡(luò)采用空氣帶線形式是一種折中方法，它比微帶形式損耗低、比波導(dǎo)形式體積小。

耦合器通常采用耦合波理論進(jìn)行分析，是一個離散的多孔耦合問題，當(dāng)孔徑和孔間距離遠(yuǎn)小于波長時，這種耦合機(jī)構(gòu)可以近似地看成連續(xù)耦合。耦合孔的數(shù)目、大小和間距可以按照耦合理論初步設(shè)計[4]，可進(jìn)一步利用仿真軟件優(yōu)化完成的優(yōu)化TE10模耦合度和對其他模式的抑制度。

耦合器采用24孔，最終優(yōu)化的TE01模耦合度大于-0.5dB，對其他模式的耦合度小于-40dB。

3.2.2 TE21模耦合器

TE21模耦合器與TE01模耦合器具有相似的結(jié)構(gòu)，設(shè)計理論也完全相同，TE21模耦合器是采用了兩個夾角45°的四臂耦合器構(gòu)成，外觀形成8壁耦合結(jié)構(gòu)，實際就是在同一段圓波導(dǎo)段同時耦合出TE21模和正交的TE21*模，這樣可以縮小整個饋源的縱向長度。另外，合成網(wǎng)絡(luò)是與TE01模耦合器不同的，是將正交的TE21模和TE21*模分別按四合一合成后，再通過電橋形成左右旋圓極化輸出。

TE21模耦合器同樣采用24孔，TE21模耦合度大于-0.5dB，對TE11和TM01模耦合度均小于-40dB。

3.2.3 TM01模耦合器

TM01模耦合器結(jié)構(gòu)如圖10所示，并未采用多孔耦合結(jié)構(gòu)[5]，耦合器和主模TE11模的波導(dǎo)四臂功分器容為一體，在圓波導(dǎo)的中心有一根匹配桿，隨著圓波導(dǎo)半徑的縮小，TM01逐步轉(zhuǎn)換成為同軸線中的TEM模并輸出(圖中TM01僅表示出口)。TE11模通過四臂(±90°移相對)后，再通過正交器形成左右旋圓極化輸出。結(jié)構(gòu)上這樣做的好處是可以大大縮小整個耦合器的縱向長度，進(jìn)而縮小整個饋源網(wǎng)絡(luò)的長度。

TM01模耦合器的耦合度大于-0.2dB，對TE11耦合度均小于-40dB。

3.3 差路合成網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)TE01模、TE21模和TM01模均從圓波導(dǎo)中耦合出來后，就需要完成最后的差模合成了，此時TE21模是兩路左右旋圓極化信號，而TE01模和TM01模是線極化信號，因此，設(shè)計了如圖11所示的差路合成網(wǎng)絡(luò)，差路合成網(wǎng)絡(luò)由三個連接在一起的電橋構(gòu)成，四個同軸輸入口，四個輸出口為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口(為了與和路輸出口相同)，差模信號通過同軸電纜與輸入口相連，中間的電橋?qū)E01模和TM01模先合成圓極化，在分別通過兩邊的電橋與同旋向 的TE21模合成后輸出4個口，分別就是左右旋圓極化的方位、俯仰差信號了。

四路用于合成的電纜需要配相，TE01模和TM01模的兩根電纜間相差決定合成后信號的圓極化軸比，TE21模兩根電纜長度決定方位和俯仰差零深(差方向圖中的 “深溝”)在Ф方向的角度，以喇叭口向前的方向為在Z軸。

3.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙頻饋源的實物如圖12所示，中心的C頻段饋源工作峰值功率為2MW，饋源和饋線需要沖入2個大氣壓的干燥氣體，以滿足功率使用要求，因此加工了一個鋼桶將C頻段饋源整體密封起來，這樣的好處一是省略了每個復(fù)雜饋源部件的單獨密封，降低了密封難度;二是氣壓均作用于鋼桶，饋源部件的壁厚可以做薄，降低了饋源重量。

外部S頻段加裝了很長的多節(jié)帶通濾波器，以隔離C頻段饋源工作時從喇叭口漏過來的干擾。

4 實測數(shù)據(jù)及性能對比

實測的饋源方向圖如圖13和圖14所示，同計算的方向圖結(jié)果非常接近，其中C頻段計算的和差方向圖峰值相差約2dB，而實際測試值約3.5dB，主要是由于差模耦合器耦合效率和差路損耗導(dǎo)致。

為了能更進(jìn)一步說明雙頻段天線的電氣性能，選取了文獻(xiàn)[7]中的天線進(jìn)行比對，文獻(xiàn) [7]中的天線也是C和S雙頻工作，C頻段為典型的五喇叭工作體制，S頻段為八喇叭結(jié)構(gòu)，與本文天線對照，兩種天線結(jié)構(gòu)形式均為卡氏雙反射面天線，口徑相同，工作頻率相同，只是天線的饋源采用工作體制不同，因此增益、效率、差斜率等電氣性能易于對比，主要比對結(jié)果如表1所示，本天線饋源指標(biāo)中增益為實測值，含饋源、饋線插入損耗。

從比對結(jié)果可以看出，兩種不同體制的饋源在相同口徑天線應(yīng)用中，效率差別較大，文獻(xiàn)[7]中C頻段饋源因為差喇叭的存在，和喇叭口徑太小，照射電平過高，導(dǎo)致饋源的漏射效率過低，預(yù)算值為46.5%，而多模饋源中漏射效率在80%以上，這一點驗證了多模單脈沖(特別是圓波導(dǎo)多模單脈沖)自跟蹤饋源和差矛盾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于五喇叭自跟蹤饋源[8]。

C頻段采用TE01、TE21、TM01多模合成技術(shù)和差斜率等化技術(shù)形成方位、俯仰差信號，差效率高，零點穩(wěn)定。C頻段圓喇叭口徑小于文獻(xiàn)[3]中C頻段和差喇叭的口徑面積，對于提升S頻段的效率也是有益的。

相對于五喇叭結(jié)構(gòu)的饋源，中心C頻段的五喇叭的存在對S頻段效率有很大限制，新型C/S雙頻饋源S頻段效率提升主要依靠兩點：一是盡可能減小C頻段喇叭占據(jù)的尺寸；二是提高S頻段喇叭口面積的有效利用率。第一點是采用了多模組合技術(shù)減小C頻段圓喇叭口徑的，第二點則是運用S頻段扇形喇叭結(jié)構(gòu)達(dá)到的。

5 結(jié)束語

新型C/S雙頻饋源在C頻段采用了多模組合自跟蹤技術(shù)和S頻段扇形口面喇叭，從而實現(xiàn)了C頻段天線性能等同于單一頻段天線的高效率(≥0.65)的同時，增加了S頻段遙測和引導(dǎo)功能，S頻段效率達(dá)到30%以上，跟蹤信號(差零深、差斜率)性能滿足指標(biāo)要求。

在此，感謝中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所微波技術(shù)實驗室全體工作人員在該天線項目和本論文成文過程中給予的大力支持。

表1 性能對比表(引用數(shù)據(jù)摘自文獻(xiàn)[7])