X波段雷達(dá)干擾機(jī)圓極化天線設(shè)計(jì)

吳昌松 于衛(wèi)剛 宋欣豫 左國銀 郭超輝

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 河南洛陽 471003)

0 引言

X波段廣泛用于跟蹤制導(dǎo)、火控雷達(dá)等領(lǐng)域。目前，X波段的雷達(dá)主要有?；腟BX雷達(dá)，陸基的GBR、FBX-T雷達(dá)。為了更好地突破雷達(dá)防御系統(tǒng)，雷達(dá)干擾機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。圓極化天線可有效避免極化損耗，并減少了由于多徑效應(yīng)造成的直接信號與反射信號之間的互擾[1]。相比于線極化天線，圓極化天線在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中更具優(yōu)勢。此外，作為雷達(dá)干擾系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，天線的基本要求是輕質(zhì)量、低剖面、易于加工和組裝。

近年來，學(xué)者已經(jīng)提出了幾種在X波段實(shí)現(xiàn)圓極化的方法。在文獻(xiàn)[2]中，交叉蝶形天線設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過調(diào)整蝶形的形狀尺寸，使其具有圓極化性能。簡單的指數(shù)錐形微帶線用于阻抗匹配，阻抗帶寬約為20%，軸比帶寬為10%。在文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一個(gè)圓槽貼片天線。天線采用雙層介質(zhì)基板以拓展帶寬。在上層介質(zhì)板的圓形槽的中心設(shè)計(jì)一個(gè)橢圓形輻射貼片，在下層介質(zhì)板設(shè)計(jì)一個(gè)單點(diǎn)饋電的菱形微帶線用以實(shí)現(xiàn)約軸比帶寬為16%的寬帶圓極化特性。該天線可用于機(jī)載X波段圓極化合成孔徑雷達(dá)的一個(gè)器件。為進(jìn)一步展寬阻抗帶寬和軸比帶寬，采用了多種技術(shù)。在文獻(xiàn)[4]中，采用功分器實(shí)現(xiàn)圓極化特性。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，功分器重新定型并設(shè)計(jì)在環(huán)形圈的內(nèi)部。層疊寄生圓形貼片以改善阻抗寬帶和軸比帶寬。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段的寬帶圓極化天線，采用四路功分網(wǎng)絡(luò)用以實(shí)現(xiàn)圓極化特性。采用弧形微帶饋線耦合饋電實(shí)現(xiàn)寬帶特性。此天線具有較寬的工作頻帶、良好的輻射特性和較低的交叉極化水平。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1給出了天線的模型圖。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，天線采用1 mm厚的羅杰斯5880基板(介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.0009)。輻射結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面，饋電網(wǎng)絡(luò)在下表面。四個(gè)圓形貼片分別放置在四個(gè)圓形槽中心位置。諧振頻率是由輻射貼片的電尺寸所決定。天線的輸入阻抗通過調(diào)整饋線的尺寸和相對位置以匹配50 Ω的SMA轉(zhuǎn)接頭?；⌒勿伨€的角度設(shè)計(jì)為90°以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的耦合饋電。調(diào)整弧形饋線與圓形貼片的相對位置以實(shí)現(xiàn)偶極子模式下的更優(yōu)帶寬。饋電網(wǎng)路采用旋轉(zhuǎn)螺旋功分器實(shí)現(xiàn)圓極化。天線的幾何尺寸在表1中給出。

圖1 天線模型圖

表1 天線尺寸(mm)

2 參數(shù)分析

圖2給出了在不同r1下S參數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，貼片的尺寸決定了諧振的中心頻率，并影響阻抗帶寬。隨著r1的增加，圓形貼片向弧形微帶邊緣靠攏，耦合電容發(fā)生變化。第一個(gè)諧振頻率變低，第二個(gè)諧振頻率變高，但阻抗帶寬始終保持在20%左右。圓極化是通過旋轉(zhuǎn)螺旋功分器實(shí)現(xiàn)的。首先進(jìn)行了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，使功分網(wǎng)絡(luò)阻抗帶寬可達(dá)25%左右，功分網(wǎng)絡(luò)重要參數(shù)見表1。經(jīng)過合理的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后，我們優(yōu)化了其他有影響的參數(shù)，以獲得更寬的軸比帶寬。圖3顯示r2對軸比性能的影響。結(jié)果表明，在第一個(gè)諧振頻率下，隨著r2的增加，軸比最優(yōu)值變

圖2 仿真S參數(shù)r1變化曲線

圖3 仿真軸比隨r2變化曲線

小。在第二個(gè)諧振頻率，軸比最優(yōu)值不變。通過仔細(xì)優(yōu)化r2，在不改變工作頻率的情況下，AR帶寬可以變得更寬。事實(shí)上，合適的圓形槽有助于同時(shí)拓展阻抗和軸比帶寬。

3 仿真結(jié)果

圖4給出回波阻抗的曲線，低于10 dB的仿真阻抗帶寬為21.9%(8.75～10.9 GHz)。圖5給出軸比曲線，低于3 dB的仿真軸比曲線為19.6%(8.75～10.65 GHz)。圖6給出天線在最大輻射方向上的增益。在9.0 GHz處增益最大為9.45 dB。圖7描述了在9.0 GHz處和10.0 GHz處輻射方向圖。如圖所示，右旋圓極化在+z方向獲得，左旋圓極化在-z方向獲得，天線具有雙向輻射特性，同時(shí)具有相對較低的交叉極化水平，3 dB波束寬度范圍內(nèi)，天線交叉極化可達(dá)10 dB以上，在低頻處可達(dá)20 dB以上，在輻射頻段內(nèi)方向圖較穩(wěn)定。

圖4 仿真S11曲線

圖5 天線仿真軸比曲線

圖6 天線仿真增益曲線

圖7 仿真方向圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并仿真了一款寬帶圓極化天線。該天線采用等幅功分網(wǎng)絡(luò)耦合饋電，實(shí)現(xiàn)了寬帶的圓極化特性，且具有寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)。在雷達(dá)干擾系統(tǒng)中具有應(yīng)用前景。