官正濤??（中國西南電子技術研究所，成都610036）

一種直升機載X／Ka雙頻段雷達共口徑天線?

官正濤??
（中國西南電子技術研究所，成都610036）

提出一種偏照饋電的X／Ka雙頻段極化扭轉式卡塞格倫天線形式，實現了氣象和防撞雷達系統(tǒng)共用一副天線，達到降低氣象和防撞雷達設備體積和重量的目的。天線的試驗結果表明，天線波束掃描范圍內，在X頻段，天線的副瓣電平優(yōu)于－20.2 dB，天線效率優(yōu)于44.8%；在Ka頻段，天線的副瓣電平優(yōu)于－20.1 dB，天線效率優(yōu)于40.2%。該天線能兼顧滿足氣象和防撞雷達系統(tǒng)的技術要求，具有一定的工程應用價值。

防撞雷達；氣象雷達；共口徑天線；極化扭轉式卡塞格倫天線

1 引言

氣象雷達和防撞雷達可以提高直升機飛行的安全性和生存能力，使直升機能回避大雨等惡劣環(huán)境區(qū)域，在霧天、小雨、夜晚和戰(zhàn)場煙霧環(huán)境下正常工作，具有較好的氣候適應性和環(huán)境適應性，是現代直升機平臺必備的電子系統(tǒng)［1－3］。

目前，直升機載氣象雷達和防撞雷達設備是各自獨立的。氣象雷達采用波導縫隙陣天線形式，伺服機構驅動整個雷達天線，天線波束的掃描速度與伺服電機的轉動速度相等，波束掃描速度有限，整個天伺饋跟前端設備重量占整個氣象雷達設備的50%［4］。而防撞雷達采用倒置卡塞格倫天線形式，伺服機構只驅動雷達天線的極化扭轉板，天線波束的掃描速度是伺服電機的轉動速度的1倍，整個天伺饋跟前端設備重量占整個防撞雷達設備的60%［5］。從兩種雷達對天線的技術要求可知，兩種雷達天線完全可以共口徑工作，從而可以減少1部天伺饋跟前端設備，有利于降低直升機載電子設備的數量和重量。

本文提出一種X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線形式，通過采用組合饋源技術、雙頻段極化扭轉技術和寬帶天線罩技術，實現了氣象雷達和防撞雷達天線的共口徑工作。天線實測結果表明，天線技術指標能同時滿足兩種雷達系統(tǒng)的使用要求，驗證了該天線形式的可行性。

2 天線原理

X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線如圖1所示，主要由天線罩、金屬柵條反射面、雙頻段極化扭轉板、方位俯仰二維伺服轉臺、Ka頻段角錐喇叭饋源、X頻段角錐喇叭饋源、饋源支座和背板組成。

天線發(fā)射工作狀態(tài)時，Ka頻段角錐喇叭饋源發(fā)出垂直極化波，經由垂直金屬柵條拋物反射面反射后散焦，到達雙頻段極化扭轉板，雙頻段極化扭轉板將入射波的極化扭轉90°，變?yōu)樗綐O化波后，通過垂直金屬柵條拋物反射面和天線罩，將能量定向輻射出去；X頻段天線與Ka頻段天線的工作原理大同小異，唯一的差別是兩種頻率的電磁波在雙頻段極化扭轉板內的反射路徑不同，如圖2所示，即Ka頻段的電磁波進入雙頻段極化扭轉板后經過四分之一波長，遇到頻率選擇面后，電磁波就被全部反射出來，而X頻段的電磁波則會通過頻率選擇面，遇到金屬地板后，才能全部被反射回去，頻率選擇面對X頻段的電磁波幾乎沒有影響。接收過程工作原理與發(fā)射過程的剛好相反。

天線波束掃描工作時，天線罩、柵條拋物反射面、Ka頻段角錐喇叭饋源和X頻段角錐喇叭饋源固定不動。通過方位俯仰二維伺服轉臺驅動雙頻段極化扭轉板的左右轉動實現天線波束方位掃描；方位俯仰二維伺服轉臺驅動雙頻段極化扭轉板上下轉動實現天線波束俯仰掃描。由于電磁波需要通過極化扭轉板反射才能輻射出去，由反射定理可知，入射角等于反射角，在任何時刻，天線波束掃描角度和掃描速度都是極化扭轉板轉動的1倍。

3 天線設計

倒置卡塞格倫天線技術在毫米波頻段的研究已經較為成熟［6］，但是要實現X頻段和Ka頻段的共口徑工作其研制難度就非常大。與普通的反射面天線不同，除了金屬柵條反射面具有低通特性外，天線饋源、極化扭轉板和天線罩都具有帶通特性，對頻率比較敏感。因此，實現雙頻段倒置卡塞格倫天線就必須解決饋源、極化扭轉板和天線罩的雙頻段問題。

由于氣象雷達和防撞雷達的工作頻率相差太遠，接近4個倍頻程，用單個饋源很難實現，并且就算單饋源實現了反射面的口徑分布和邊緣照射電平的要求，饋源的尺寸必然很大，并且饋源遮擋必然相當嚴重，不利于天線副瓣電平的降低；因此，單饋源方案不可行，必須采用組合饋源方案。Ka頻段饋源尺寸小，可以采用單喇叭天線形式；而X頻段饋源具有高功率要求，宜選用喇叭天線形式。若采用組合喇叭方案，保證等效相位中心共焦點，勢必會引入復雜的饋電網絡，增加系統(tǒng)體積、重量和復雜度，得不償失。而采用單喇叭方案，在體積、重量和復雜度方面具有明顯優(yōu)勢，但代價是使近軸副瓣電平提高近2 dB，即使這樣也能滿足技術指標要求。因此，X頻段饋源也采用單喇叭天線形式，如圖3所示。

極化扭轉板為實現反射波的極化方向旋轉90°的目的，要求介質板的厚度為四分之一介質波長的奇數倍，從而保證進入介質內部的電場分量移相180°。當兩個頻點不滿足奇數倍關系時，用常規(guī)的介質移相方案，工程上很難在兩頻點上同時實現極化方向旋轉90°。較好的解決方案是采用頻率選擇表面技術，在X頻段仍然采用四分之一介質波長的介質板移相；在介質板內部加入周期性的印刷圖案，使Ka頻段的電磁波提前反射回去，而X頻段的電磁波幾乎不受影響地穿過。使兩頻段電磁波在介質板內都只經過二分之一介質波長的路程，從而實現X／Ka雙頻段極化扭轉功能。圖4給出了雙頻段極化扭轉板HFSS“元胞”模型。

天線罩也是和工作頻率密切相關的功能件。兩個工作頻點不是倍頻關系，只能將天線罩實現寬頻特性才能滿足使用要求。天線罩要想獲得寬頻特性，一般有以下幾種途徑：

（1）采用極低介電常數的介質材料；

（2）采用薄壁結構；

（3）采用特殊的夾層結構；

（4）采用含金屬絲和網的介質材料。

綜合考慮直升機載工作環(huán)境、工作頻段和工程可實現性，主要采用途徑3實現天線罩的寬頻帶特性，即薄壁A夾層結構。蒙皮材料為石英玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂組合，透波芯材選用紙蜂窩。

4 實驗結果及分析

根據雷達系統(tǒng)要求，設計并加工一套直升機載X／Ka雙頻段氣象防撞雷達共口徑天線，如圖5和圖6所示。

氣象雷達要求天線工作在X頻段，波束寬度小于7°，增益大于26 dBi，副瓣電平小于－20 dB，天線波束在方位±60°、俯仰±15°范圍內掃描。測試結果表明，天線在X頻段和波束掃描范圍內，波束寬度介于6.4°～6.9°之間，增益介于26.7～27.4 dBi之間，副瓣電平介于－20.2～－24.9 dB之間，如圖7～9所示。天線效率高于44.8%，滿足氣象雷達技術要求。

而防撞雷達天線要求工作在Ka頻段，波束寬度小于1.8°，增益大于37 dBi，副瓣電平小于－20 dB，天線波束在方位±60°、俯仰±15°范圍內掃描。測試結果表明，天線在Ka頻段和波束掃描范圍內，波束寬度介于1.62°～1.74°之間，增益介于37.9～38.8 dBi之間，副瓣電平介于－20.0～－25.7 dB之間，如圖7～9所示。天線效率高于40.2%，滿足防撞雷達技術要求。

由圖7～9可見，天線性能指標在法線方向最佳，隨著波束掃描角度的增大，性能指標逐漸惡化，這主要是三方面的原因引起的：其一，極化扭轉板的投影口徑隨著掃描角度的增加而減小，將降低天線的口徑利用率；其二，極化扭轉板的極化損失隨著掃描角度的增加而增加，增加了天線損耗；其三，天線罩入射角的不一致性隨著掃描角度的增加而惡化，天線波前的相位一致性惡化。而圖中測試結果的不對稱性主要是天線罩手工敷制造成結構不對稱引起的，這些現象在Ka頻段顯得更為明顯，也較為合理。

5 結論

為了減少直升機載雷達設備的重量和體積，本文提出一種X／Ka雙頻段的倒置卡塞格倫天線形式，通過采用組合饋源技術、雙頻段極化扭轉技術和寬帶天線罩技術，實現了直升機載氣象雷達和防撞雷達的共用一副口徑天線工作。天線實測結果表明，天線技術指標能同時滿足兩種雷達系統(tǒng)的使用要求，驗證了該天線形式的可行性。

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GUAN Zheng-tao was born in Zizhong，Sichuan Province，in 1978.He received the M.S. degree froMSouthwest Jiaotong University in 2004. He is now a senior engineer.His research concernsmulti-beaMantenna，waveguide slotsarray antenna，microstrip array antenna，and microstrip reflecting array antenna.

Email：zhtguan＠163.com

An X-band and Ka-band Common-aperture Antenna for Helicopter-borne W eather Radar and Collision Avoidance Radar

GUAN Zheng-tao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An offset feed X-band and Ka-band polarization torsion cassegrain antenna is proposed in this paper.To reduce the size and weightofhelicopter-borneweather radarand collision avoidance radar，the dual-band commonaperture antenna is used in the two radar systems.The test results indicate that the side-lobe level of the antenna is no less than－20.2 dB in X-band and－20.6 dB in Ka-band，and that the efficiency of the antenna isno less than 44.8%in X-band and 40.2%in Ka-band in scan range of the beam.The antennameets the requirement of both weather radar and collision avoidance radar，and has engineering application value.

collision avoidance radar；weather radar；common-aperture antenna；polarization torsion cassegrain antenna

The Basic Technology Foundation of the10th Institute of CETC（H10001.5）

date：2013－03－06；Revised date：2013－04－19

中國電子科技集團公司第十研究所基礎技術基金項目（H10001.5）

??通訊作者：zhtguan＠163.coMCorresponding author：zhtguan＠163.com

TN957.2

A

1001－893X（2013）06－0782－04

官正濤（1978—），男，四川資中人，2004年于西南交通大學獲碩士學位，現為高級工程師，主要研究方向為多波束天線、波導裂縫陣天線、微帶陣天線、微帶反射陣天線。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.022

2013－03－06；

2013－04－19