一種雙極化倒卡天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙宏亮

（甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

為了提高雷達(dá)的抗干擾能力，改善現(xiàn)役低分辨率雷達(dá)抗干擾能力低的缺陷，通過將現(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行雙極化改進(jìn)以增加雷達(dá)對(duì)目標(biāo)極化域特征的提取，完善雷達(dá)在現(xiàn)有體制情況下的目標(biāo)識(shí)別功能，增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力和對(duì)抗角反射體的能力，提高雷達(dá)對(duì)抗箔條干擾和有源干擾的能力。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了提高雷達(dá)抗干擾能力，在現(xiàn)有單極化倒卡天線基礎(chǔ)上提出雙極化倒卡天線技術(shù)（要求對(duì)抗干擾成功率大于80%以上）。雙極化倒卡天線可以在水平極化和垂直極化域連續(xù)變極化，通過改變極化方式來應(yīng)對(duì)不同樣式的干擾，增強(qiáng)雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、抗干擾、反輻射、反隱身等能力，提高導(dǎo)彈在復(fù)雜電磁環(huán)境下的的突防能力；使用目標(biāo)的極化信息，為雷達(dá)識(shí)別岸艦提供新的途徑，具有非常大的潛在市場(chǎng)需求。

雙極化倒卡天線為適應(yīng)變極化的特點(diǎn)，并且保留倒卡天線技術(shù)的成熟性和對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)改動(dòng)最小。要求雙極化倒卡天線，上下布局，即上下各是一部完整的天線系統(tǒng)，由各自的主、副反射體和饋源構(gòu)成。對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)天線改進(jìn)后天線增益損失很小，副瓣變化小，天線方向圖、波束寬度等指標(biāo)可以維持在原有水平。

3 雙極化倒卡天線技術(shù)及設(shè)計(jì)

3.1 雙極化倒卡天線技術(shù)

倒卡天線是反射面天線的一種，主反射面和副反射面采用特殊材料敷以金屬絲和金屬網(wǎng)制成，它將入射于反射面上的電磁波按設(shè)計(jì)進(jìn)行反射（如圖1所示）。

雙極化倒卡天線技術(shù)是把兩個(gè)倒卡天線通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙地組合在一起，而且兩個(gè)倒卡天線的極化方向相互垂直正交，完成天線結(jié)構(gòu)和電性能的一體化設(shè)計(jì)。

3.2 雙極化倒卡天線組成

雙極化倒卡天線是在單極化倒卡天線的基礎(chǔ)上研制而成的新型天線形式。極化方式為水平極化和垂直極化，上天線為垂直極化天線，下天線為水平極化天線。

雙極化倒卡天線由主反射體 （共用極化扭轉(zhuǎn)板）、副反射體（兩組拋物面）、水平饋源、垂直饋源、天線底座等組成。

3.3 雙極化倒卡天線副反射體設(shè)計(jì)

1）雙極化倒卡天線口徑計(jì)算，確定拋物面直徑D0。根據(jù)總體給定天線增益G值，計(jì)算拋物面直徑D0可按下式：

2）雙極化倒卡天線主反射面直徑D1的確定（如圖2所示）。假定總體要求主反射面的搜索電角為±2θ，根據(jù)圖1的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出搜索機(jī)械角為搜索電角的1/2，即搜索機(jī)械角為±θ。

圖1 倒卡天線原理示意圖

圖2 雙極化倒卡天線口徑計(jì)算示意圖

主反射面的直徑D1理論計(jì)算如下：

從上式可得知主反射面的直徑較天線口徑大，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，為減少繞射效應(yīng)及后向輻射，主反射面的實(shí)際直徑比理論計(jì)算值稍大。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)一般取 D1=D0/COSθ+（6～15mm）。

3）雙極化倒卡天線拋物面焦距f的確定。由拋物面的焦距與口徑之比f/D0=i得f=i×D0(i=0.25～0.5)；根據(jù)多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，倒卡天線i取（0.35～0.45）。

4)雙極化倒卡天線副反射體設(shè)計(jì)。(1)根據(jù)天線口徑和焦距的確定，由拋物線方程X2+Y2=4fZ可得曲面方程。雙極化倒卡天線副反射面由拋物線X2=4fZ旋轉(zhuǎn)而成。（2）材料選用重量輕、剛性好、強(qiáng)度高、透波率高的六角蜂窩，正六邊形邊長(zhǎng)根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)推薦優(yōu)先選取：Ka波為3mm；Ku波為3.67mm；X波為5mm等。（3）拋物面中間夾襯厚度的確定。如果三層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)表皮層的相對(duì)介電常數(shù)與厚度分別是εs、ds，夾心的相對(duì)介電常數(shù)是 εc，拋物面中間夾襯厚度就是：

（4）副反射面的布線（金屬絲）：拋物面內(nèi)表面嵌有波長(zhǎng)是密間距（S=λ/8～λ/10）的金屬導(dǎo)線。 （5）根據(jù)以上數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出雙極化倒卡天線副反射體結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。

圖3 雙極化倒卡天線副反射體圖

3.4 雙極化天線主反射面的設(shè)計(jì)

1）材料選用。雙極化倒卡天線主反射體選用重量輕、剛性好、強(qiáng)度高、透波率高的六角蜂窩材料。

2）雙極化倒卡天線主反射體（極化扭轉(zhuǎn)板）理論。當(dāng)極化扭轉(zhuǎn)板前表皮層中的平行導(dǎo)線（金屬絲）成45°嵌入時(shí)，入射波就被分解為與金屬導(dǎo)線平行和垂直的兩個(gè)等幅正交分量。入射于極化扭轉(zhuǎn)板的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E入可分解為兩個(gè)分量，分量E∥平行于金屬導(dǎo)線被柵網(wǎng)反射；而分量E⊥卻透過柵網(wǎng)繼續(xù)向前傳播，直到被金屬銅網(wǎng)反射而又回到柵網(wǎng)面處。柵網(wǎng)與金屬銅網(wǎng)的距離為λ/4。E⊥反與E⊥一去一來相位滯后180°，方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，E⊥反與E∥合成E反，E反比E入扭轉(zhuǎn)了90°，電波極化由垂直極化變成了水平極化（如圖4所示）。

3）根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)出雙極化倒卡天線主反射面（如圖5所示）。

圖4 雙極化倒卡天線主反射體原理圖

圖5 雙極化倒卡天線主反射體圖

3.5 雙極化倒卡天線主要技術(shù)指標(biāo)

雙極化倒卡天線設(shè)計(jì)完全滿足雷達(dá)天線電性能要求，滿足雷達(dá)的搜索、跟蹤要求，滿足導(dǎo)彈在各種惡劣環(huán)境情況下的正常飛行和突防攻擊。

4 雙極化倒卡天線的先進(jìn)性

經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，雙極化倒卡天線雷達(dá)對(duì)抗箔條干擾的成功率從50%提高到90%以上，對(duì)抗角反射體的成功率從40%左右提高到80%以上。驗(yàn)證和突出了雙極化倒卡天線在目標(biāo)檢測(cè)能力、抗干擾能力、目標(biāo)識(shí)別能力等方面的先進(jìn)性。

5 結(jié)論

雙極化倒卡天線設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)成熟、制造工藝穩(wěn)定、性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)效益良好，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的雷達(dá)天線技術(shù)之一，值得推廣使用。