C/S雙頻段饋源設計與仿真?

石一鳴 張夢堃

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

雙頻共面天線的形式主要有兩種：一種方式是雙反射面天線的副面采用頻率選擇表面，饋源為獨立的兩個饋源，一個為前置饋源，一個為后置饋源。這種方式可以分別優(yōu)化兩個饋源，使性能達到最優(yōu)，它的設計關(guān)鍵是頻率選擇表面。另外一種實現(xiàn)方式是饋源為雙頻段后置饋源，共用主、副反射面。這種方式的天線結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊，天線縱向尺寸小，利于車載運輸設計［1～2］。

根據(jù)本雷達中兩個頻段的使用需求，C波段為高功率高精度測量單脈沖天線，S波段為遙測單脈沖天線，其中S波段天線需要較寬的波束寬度，采用雙頻段饋源的方式，把S波段饋源設計在C波段饋源四周，使S波段饋源波束變窄，更有利于S波段天線展寬波束寬度，同時整個天線的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊［3］。

2 C/S雙頻段饋源設計

2.1 反射面形式的選擇

天線為實現(xiàn)C、S波段共面，采用C、S雙波段饋源共用卡塞格倫天線的方式?？ㄊ教炀€主反射面直徑：D=3600mm；副反射面直徑：d=546mm。天線焦徑比的選擇綜合考慮到電氣性能和結(jié)構(gòu)運輸、起豎、轉(zhuǎn)動要求等因素，選擇f/D=0.32。饋源的照射半張角的選取是一個在各種指標之間反復折中的過程，張角太小，會使饋源能量泄露，降低天線效率；張角太大，會拉近饋源到副面的距離，造成饋源的匹配性能變差，也會影響天線的總體性能。本天線是單脈沖體制，要照顧到和、差最佳照射，選取的照射半張角φm=20°。

2.2 C波段饋源設計

單脈沖饋源是天線設計的核心，常用的單脈沖饋源有四喇叭、五喇叭、多模喇叭等幾種方式。

四喇叭單脈沖饋源較容易實現(xiàn)，但是饋源的和差矛盾較大，且饋源的差方向圖截獲效率低，造成天線的差性能較差。

五喇叭單脈沖饋源和差分開，饋電網(wǎng)絡簡單，是常用的單脈沖饋源形式之一。五喇叭單脈沖饋源一般照射角取在差方向圖的第一個零點，此時和方向圖照射電平5dB～6dB，天線漏損較多，所以天線效率低一些。

多模喇叭饋源通過調(diào)節(jié)模比，在使和方向圖達到最佳時，能夠照顧差方向圖性能，能夠較好地解決和差矛盾。多模饋源設計時，饋源的方向圖副瓣電平要盡可能低、照射方向圖盡量做到旋轉(zhuǎn)對稱、圓極化軸比要好、和差兼顧設計，從而提高和、差的截獲效率［4～5］。

根據(jù)天線的增益、和差性能的要求，綜合比較后多模單脈沖饋源性能較好，本天線采用C波段多模圓極化單脈沖饋源的形式。圖1為C波段饋源模型圖。

多模饋源設計的關(guān)鍵是精心選擇饋源各部分的電氣尺寸，控制各高次模的幅度和相位，以獲得最佳的口面場分布［6］。本天線和模有TE10、TE30、EH12，方位差模有TE20、EH11、EH22，俯仰差模有EH11、TE02等。采用以上模式的饋源由多模喇叭、圓極化器、和差網(wǎng)絡組成。

饋源和模的多模激勵是采用變張角結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。變張角結(jié)構(gòu)的特點是在不連續(xù)處張角發(fā)生變化而波導直徑不變，由于張角變化而產(chǎn)生高次模。在變張角結(jié)構(gòu)的多模喇叭中有幾個張角不連續(xù)處，以便互相補充。每個變張角之后的直波導起著移相段的作用。由于多次使用變張角，相對帶寬較寬［7～8］。

圓極化器有多種設計方法，波導圓極化器主要有金屬切角圓極化器、介質(zhì)加載圓極化器和各種周期加載的圓極化器等。金屬切角圓極化器適合窄帶、高功率天線使用。本天線帶寬不到4%，但是需承受峰值功率1.2MW，所以比較適合采用金屬切角圓極化器［9］。

2.3 S波段饋源設計

S波段天線的主要功能是保證天線引導捕獲的范圍和引導概率，按照要求S波段饋源與C波段饋源設計在一起，共用反射面，可以保證S波段的增益要求。S波段遙測天線也是單脈沖體制，饋源采用十字振子的形式，通過優(yōu)化振子的位置，得到合適的饋源照射方向圖，滿足S波段天線的要求。每個振子后都接極化器實現(xiàn)雙圓極化，后面再接和差器實現(xiàn)單脈沖功能，S饋源與C波段饋源放置在一起，排列在其四周，饋源示意圖如圖2（a）所示，S饋源工作原理圖見圖2（b）。

本天線首先優(yōu)化了S波段饋源，使得饋源和方向圖在照射半張角范圍內(nèi)，照射電平盡量低，這相當于降低了天線的口徑利用效率，縮小了天線的有效使用口徑尺寸［10］，這樣可以適當展寬天線的波束。

在此基礎上，進一步采用散焦的方法，在天線的口徑分布場上疊加相位差，可進一步展寬波束。

3 天線方向圖

C波段和S波段饋源的方向圖見圖3和圖4。

表1 C/S雙頻段天線方向圖特性

從天線輻射方向圖的計算結(jié)果看，C波段天線半功率波束寬度在1.0°～1.1°第一副瓣電平的理論計算值小于-19.4dB，考慮制造誤差等因素還會使副瓣升高，留有3dB余量［11～12］。C波段天線屬于窄帶天線，可以看出波束寬度和副瓣電平在頻帶內(nèi)變化不大，可以滿足指標要求。

S波段天線半功率波束寬度在3.0°～3.2°第一副瓣電平的理論計算值小于-19.0dB，考慮制造誤差等因素還會使副瓣升高，留有一定余量，均能滿足指標要求。

4 結(jié)語

本文給出了一種C/S雙頻段天線設計技術(shù)，通過對該天線方向圖的仿真計算結(jié)果和實測結(jié)果表明，該天線兩個頻段的增益、第一副瓣電平、波束寬度、零深等均滿足設計要求，該天線適合車載等物理空間相對狹窄的移動平臺安裝使用。

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