一種X/Ka雙頻雙極化共口徑連續(xù)波雷達(dá)天線設(shè)計(jì)

李運(yùn)志 胡衛(wèi)東 金秀梅

摘 要

針對(duì)連續(xù)波雷達(dá)體制要求，基于X波段透射，Ka波段反射的頻率選擇表面原理，設(shè)計(jì)了一種X/Ka雙頻雙極化共口徑反射面天線。采用收發(fā)天線分置和加載隔離筒等技術(shù)手段，達(dá)到改善天線端口隔離度的目的。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，X波段的最大增益達(dá)到44dB，3dB波束寬度≤1.00°;Ka波段的法向增益達(dá)到54dB，3dB波束寬度≤0.33°，收發(fā)天線隔離度達(dá)到90dB以上。

關(guān)鍵詞

X波段;Ka波段;雙極化;FSS

中圖分類(lèi)號(hào)： TN822? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.066

0 引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡(jiǎn)稱(chēng)FSS）是指在介質(zhì)表面周期性排布的金屬貼片單元或者在金屬屏上周期性排布的孔徑縫隙單元組成的二維周期結(jié)構(gòu)，具有帶阻或者帶通的空間濾波特性[1-2]。由于頻率選擇表面的空間濾波特性，其在多頻反射面天線以及天線罩等方面得到非常廣泛的應(yīng)用[3-4]。

由于卡塞格倫天線的設(shè)計(jì)靈活，并且具有增益高、低饋線損耗、口徑效率高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域。但由于其固有的副反射面、饋源、及支桿遮擋因素的存在，導(dǎo)致天線副瓣明顯惡化，特別對(duì)于中小口徑天線更是如此[5]。

本文通過(guò)在副面加載頻率選擇表面單元，達(dá)到X波段能量信號(hào)透射，Ka波段能量信號(hào)反射，滿足X、Ka雙頻雙極化共口徑的技術(shù)要求。采用收發(fā)天線分置、共軸安裝方式實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的連續(xù)波工作。

1 天線參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 天線設(shè)計(jì)原理

為達(dá)到減小饋線損耗的目的，本文采用Ka波段饋源后置，X波段饋源前置的雙頻共面技術(shù)，其天線的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。主反射面采用拋物面結(jié)構(gòu)、副反射面采用基于介質(zhì)基底的FSS結(jié)構(gòu)，其外形輪廓為雙曲面，X、Ka波段的饋源喇叭分別位于拋物面的焦點(diǎn)和雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)上。當(dāng)X波段饋源喇叭發(fā)射電磁波后，F(xiàn)SS副反射面對(duì)于X波段全部透射，電磁波將被傳輸?shù)街鞣瓷涿妫瑥亩纬善矫娌?而當(dāng)Ka波段饋源喇叭發(fā)射電磁波后，F(xiàn)SS副反射面對(duì)于Ka波段形成全反射，相當(dāng)于金屬副反射面，根據(jù)卡塞格倫天線的幾何特性，電磁波經(jīng)主反射面后形成平面波。

1.2 頻率選擇表面單元設(shè)計(jì)

本文的頻率選擇表面的單元采用加載介質(zhì)基底的環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)形式，其周期單元的內(nèi)半徑R1為1.05mm，外半徑R2為1.45mm，單元寬度Ws為0.4mm，單元周期S為3.2mm。加載介質(zhì)基底采用低損耗的聚四氟乙烯材料，其介電常數(shù)為2.6，介質(zhì)損耗為0.009。為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，其基底厚度選用8.5mm。為便于副反射面的加工，在介質(zhì)表面的頻選單元采用環(huán)形布局方式。環(huán)形單元及整體布局結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 饋源喇叭與天線設(shè)計(jì)

饋電喇叭采用雙模喇叭結(jié)構(gòu)形式。X波段饋源喇叭前置，其照射角度128°，喇叭邊緣電平為-16dB。Ka波段饋源喇叭后置，饋源半張角30°，喇叭邊緣照射電平約-18dB

天線主反射面為拋物面形式，口徑為2400mm，焦徑比F/D=0.4，副反射面口徑大小140mm。天線整體采用收發(fā)天線分置和加載隔離筒的方式，經(jīng)優(yōu)化隔離筒的高度和天線間距，天線隔離度達(dá)到>90dB的技術(shù)要求。

2 實(shí)物加工測(cè)試

為驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)有效性，天線實(shí)物的暗室測(cè)試如圖3～4所示。由圖可見(jiàn)，在X波段的法向增益為44dB，3dB波束寬度為1.00°，第一副瓣電平為-33.8dB;Ka波段的法向增益為54dB，3dB波束寬度為0.33°，第一副瓣電平為-28.5dB。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種X、Ka雙頻共面收發(fā)天線，基于環(huán)形單元加載的介質(zhì)型副反射面，X波段饋源前置，Ka波段饋源后置，不僅達(dá)到了高增益、低副瓣、低饋線損耗的目的，而且實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)整體的小型化。

參考文獻(xiàn)

[1]Munk B A.Frequency Selective Surface： theory and design，Wiley，New York， 2000.1-62.

[2]李小秋，高勁松，趙晶麗.一種適用于雷達(dá)罩的頻選擇表面新單元研究[J].物理學(xué)報(bào)，2008，57（6）：803-3806.

[3]侯新宇，張澎，盧俊等.一種雙曲率雷達(dá)罩的頻率選擇表面分片設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)彈與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，第26卷第1 期，PP：123-125.

[4]C.A.Balanis，Antenna Theory-Analysis and Design，3rd ed.Hoboken，NJ，USA： Wiley，2005.

[5]T.Milligan，“Designing classical open-Cassegrain dual-reflector antennas from combinations of prescribed geometric parameters，”IEEE Antennas Propag.Mag.，vol.54，no.2，pp.136-147，Apr.2012.