黃敬健，楊勇，譚淵，袁乃昌

(國防科學技術(shù)大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙410073)

0 引言

雷達收發(fā)天線之間的隔離度設(shè)計一直是雷達工程實踐中的一個棘手問題，尤其是對于一些小型化連續(xù)波雷達［1－2］，由于發(fā)射天線和接收天線相隔很近，互耦較大，如何解決隔離問題成為了系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之一。文獻［3－6］提出利用交叉極化的方法，就是發(fā)射天線水平極化，接收天線垂直極化，這種方法確實能有效地提高收發(fā)隔離，然而其必須要求被探測目標的極化純度足夠差才行，不然的話，雖然收發(fā)隔離改善了，目標的回波信號強度也相應(yīng)的降低了。另外，文獻［2，7］中還提出發(fā)射天線左旋圓極化，接收天線右旋圓極化，由于左旋圓極化的連續(xù)被經(jīng)過目標反射后變成了右旋圓極化，這樣及能提高收發(fā)天線的隔離度，同時還可保證回波信號的強度不被減弱。但是對于小型化雷達而言，制作圓極化天線的難度較大，而且由于圓極化可分解為水平極化和垂直極化，因此其提高隔離度的效果也是有限的。文獻［8］分析了波紋波導中的電容性膜片加載可以使特定頻帶內(nèi)的連續(xù)被產(chǎn)生相位偏移，本文在此基礎(chǔ)上將波紋結(jié)構(gòu)運用在天線隔離中，由于發(fā)射電磁波耦合到接收天線具有多路徑，因此利用合理設(shè)計使得其在需要頻段內(nèi)產(chǎn)生對消，可在所需頻帶內(nèi)達到很高的隔離效果。

1 波紋波導中的導波相移分析［8］

如圖1所示，其中加載非對稱電容性膜片，各片相距g，為了分析簡單，將參考面置于兩膜片的中間，每段可有等效對稱T 網(wǎng)絡(luò)表示。開始可假設(shè)間隔g 非常大，因而每個膜片所激勵的雕落波在臨近膜片處已衰落到可以略去的振幅。第1 個高級波型的傳播常數(shù)是

只要exp(－Γ11l)≤0.1，這個波型對于主波型的相互耦合作用可以略去不計。這里假定膜片的歸一化并聯(lián)電納低頻公式

對于分析的需要已足夠準確，(2)式中，β0是H10波型的相移常數(shù)，

H10波型的波阻抗Zw=Z0k0/β0，其中(2)式中的B 以對Zw進行歸一化。

圖1 加載電容性膜片的波導示意圖Fig.1 Sketch of waveguide based on capacitive clapboards

如圖1所示參考面1，2.利用慣性傳輸線理論，當參考面2 接有歸一化負載阻抗ZL時，在參考面1處的輸入歸一化阻抗

式中，t=tan(β0g/2).同對稱T 網(wǎng)絡(luò)的類似公式

進行比較，可以證明:

從(6)式和(7)式不難解得無限長周期性結(jié)構(gòu)的特征阻抗Zc和相移常數(shù)βc為

可看出，如果βc為(9)式的一個解，那么βc±2nπ/g(n 為整數(shù))也是(9)式的解。

2 波紋結(jié)構(gòu)在連續(xù)波雷達天線隔離中的運用

金屬隔條在連續(xù)波雷達天線隔離中被認為是一種傳統(tǒng)方法，然而由于其表面波的存在，許多雷達設(shè)計者們試圖通過減小這種表面繞射波來增強隔離度，文獻［9］提出了利用光子晶體的高阻表面特性來減少表面波的傳播，從而達到隔離的目的。但是，即使能夠完全遏制表面波傳播，電磁波的空間輻射依然存在，對于收發(fā)天線很近的連續(xù)波雷達系統(tǒng)而言，其空間耦合仍然很大。因此，如何在不影響天線方向圖的情況下減少空間耦合是徹底解決隔離度問題的關(guān)鍵。

由第1 節(jié)的分析及(9)式可知，波導中的波紋結(jié)構(gòu)可以引起電磁波的相位變化，而且其偏移值與波紋間隔g 和波紋高度l 有關(guān)。由此將波紋結(jié)構(gòu)用于連續(xù)波雷達系統(tǒng)的收發(fā)天線之間，如圖2所示，發(fā)射天線輻射的電磁波可有多路徑耦合到接收天線，其中主要的兩個路徑可理解為空間輻射波A1和金屬表面電 流引起的繞射波A2，合理設(shè)計波紋結(jié)構(gòu)的g 和l，可使得某個頻帶內(nèi)兩種路徑到達接收天線的A1和A2相位相差180°，從而產(chǎn)生對消。

圖2 波紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對消示意圖Fig.2 Sketch of cancelation by clapboards

3 CST 仿真分析

按照圖2的結(jié)構(gòu)，在CST 中建模，如圖3所示。收發(fā)天線均采用標準的X 波段波導口，波導寬邊a取22.8 mm，窄邊b 取10.64 mm，仿真頻率取8～12 GHz.如圖4～圖5所示，分別顯示出了波紋高度和寬度對天線隔離度影響的曲線?？煽闯觯y波結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，會影響對消零點的位置。而且隨著波紋參數(shù)的增大或者減小，零點的位置會往不同方向偏移。由此反映出多路徑耦合的電磁波相位隨著波紋參數(shù)的變化而變化，從而使得對消產(chǎn)生的零點位置發(fā)生偏移。利用數(shù)值方法計算天線隔離度比較困難，需要設(shè)定很多的邊界條件，雖然利用MoMUTD 混合方法［10］可近似計算平面或者圓柱面上兩個天線的隔離度，但對于加載金屬膜板的平面模型，可以直接建模仿真。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulated model

圖4 不同波紋高l 對隔離度的影響Fig.4 Simulated isolation at different‘l’

因此，為了在需要的10.5 GHz 頻率附近產(chǎn)生零點，通過分析仿真結(jié)果的規(guī)律，波紋高度和寬度分別取在27.5 mm 和12.5 mm 左右可在所需頻帶形成零點。也就是說，此時發(fā)射天線多路徑耦合到接收天線的電磁波之間的相位剛好相差180°.

4 實驗結(jié)果

通過對仿真結(jié)果的定性分析，制作了不同紋波高度和寬度的結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證明，如圖3所示的三級波紋比兩級波紋能在更寬的頻帶形成零點，因此最終確定的三級紋波的高度分別為33 mm、30 mm和27.5 mm，寬度分別為17.5 mm 和12.5 mm，圖5為安裝在收發(fā)天線之間的波紋結(jié)構(gòu)實物圖，整個測試實驗都是在“微波暗室”中進行的，減少外界環(huán)境對隔離度測量的影響。

圖5 不同波紋間距g 對隔離度的影響Fig.5 Simulated isolation at different‘g’

圖6 紋波結(jié)構(gòu)及其安裝位置Fig.6 Clapboards and their locations

如圖7所示，兩條測量曲線分別代表加載未經(jīng)優(yōu)化的普通隔板對隔離度的影響和加載優(yōu)化后的波紋結(jié)構(gòu)對隔離度的影響。明顯可看出，在沒有形成對消零點的頻帶，由于金屬隔板的遮擋作用，其隔離效果基本相仿。但是在設(shè)計形成對消零點的頻帶，優(yōu)化后的波紋結(jié)構(gòu)能在400 MHz 所需頻帶內(nèi)改善隔離度15～20 dB.

圖7 普通的隔板與經(jīng)尺寸優(yōu)化后的波紋結(jié)構(gòu)對隔離度影響的對比Fig.7 Comparison of isolation between two structures

5 結(jié)論

本文在詳細分析波紋波導中導波相移理論的基礎(chǔ)上，將波紋結(jié)構(gòu)運用在小型化連續(xù)波雷達系統(tǒng)的收發(fā)天線之間，提出了一種基于結(jié)構(gòu)對消的新型天線隔離方法，仿真分析和實驗結(jié)果均表明，在外界輻射信號穩(wěn)定的情況下，該方法能在特定頻帶內(nèi)對多路徑耦合的電磁波形成對消零點，達到很好的隔離效果，并且該方法結(jié)果簡單，成本低，因此在工程應(yīng)用上具有非常廣闊的前景。

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