(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院天線與微波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

0 引言

為了精確獲得目標(biāo)的角度和速度,單脈沖雷達(dá)發(fā)揮了重要作用。單脈沖天線作為單脈沖雷達(dá)的最重要的一部分,始終是人們研究的重點(diǎn)[1-3]。單脈沖天線實(shí)現(xiàn)原理比較簡單,即通過變換不同象限中輻射單元的相位,就可以實(shí)現(xiàn)和波束、方位差波束及俯仰差波束。早期單脈沖天線主要利用卡塞格侖天線實(shí)現(xiàn),使用多模喇叭或其他多模技術(shù)獲得單脈沖天線的和、差信號[4]。但是單脈沖雷達(dá)為了搜尋目標(biāo)需要快速轉(zhuǎn)動(dòng),而反射面天線體積笨重,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,不利于天線的快速移動(dòng)、快速展開。在隨后的發(fā)展中,由于波導(dǎo)縫隙天線具有增益高、體積小、輻射效率高,以及無口徑遮擋效應(yīng)、可精確控制天線表面電磁場的分布、有效抑制交叉極化分量的顯著特點(diǎn),常被用來設(shè)計(jì)單脈沖天線。當(dāng)微帶天線加工技術(shù)逐漸成熟后,由于其低剖面、重量輕、易于共形、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等原因,成為多數(shù)天線設(shè)計(jì)的首選,大量以微帶形式為基礎(chǔ)的單脈沖天線出現(xiàn)在人們眼前[5-8]。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了許多針對單脈沖天線新型技術(shù),如基于介質(zhì)集成波導(dǎo)的毫米波平面單脈沖天線[2],主要發(fā)展趨勢也是小型化、功能多樣化。而基于微帶分析耦合的雙圓極化單脈沖天線正滿足這樣的需求。其包括雙圓極化單元、雙圓極化的饋電網(wǎng)絡(luò)、單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)。雙圓極化單元采用微帶雙H縫隙耦合的形式,單元饋電則采用3 d B電橋。為了得到更好的軸比,陣中每一個(gè)單元都按照一定規(guī)律旋轉(zhuǎn),因此饋電網(wǎng)絡(luò)根據(jù)單元的排布不同也作相應(yīng)的調(diào)整。和差網(wǎng)絡(luò)在計(jì)入單元圓極化特性后,通過環(huán)形電橋來實(shí)現(xiàn)。最后對天線加工實(shí)物進(jìn)行了實(shí)測,對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 雙圓極化單元設(shè)計(jì)

天線單元的選擇要從天線輻射特性、結(jié)構(gòu)形式、帶寬,以及輻射效率等方面考慮。雙圓極化單脈沖天線首先要實(shí)現(xiàn)雙圓極化功能,即天線單元就應(yīng)滿足雙圓極化的特性。由于微帶天線低剖面、易于加工、低成本等原因成為許多天線首選。利用微帶天線實(shí)現(xiàn)雙圓極化的方式很多,其中微帶縫隙耦合形式因?yàn)轲侂娋W(wǎng)絡(luò)與輻射貼片分層后,從而可以屏蔽掉多余的饋線輻射,另外天線饋電網(wǎng)絡(luò)可以使用不同厚度的介質(zhì)基板,如采用厚基板來提高天線帶寬,等等。本文就是利用微帶縫隙耦合形式來實(shí)現(xiàn)雙圓極化功能。圖1為天線單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 雙圓極化H形縫隙耦合單元

圖2為單元饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程。首先,為了實(shí)現(xiàn)單元的雙圓極化功能,單元的饋電網(wǎng)絡(luò)選用3 dB電橋。其次,為了將饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射縫隙良好的匹配將電橋進(jìn)行了變形,即從耦合支路中線處彎折90°,使得電橋兩輸入端分別對應(yīng)左旋圓極化和右旋圓極化,兩輸出端分別對應(yīng)H型縫隙,且通過耦合向輻射貼片饋電。

圖2 單元饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程

由于采用電橋的形式饋電,單個(gè)H型縫隙無法實(shí)現(xiàn)雙圓極化饋電,因此兩個(gè)H形縫隙的排布勢必造成輻射貼片饋電的不對稱性。為了消除影響,對輻射貼片的大小、高度,以及H型縫隙尺寸利用仿真軟件HFSS進(jìn)行了優(yōu)化。其中Ls=18 mm,La=6 mm,D=55 mm。圖3為天線單元左旋圓極化和右旋圓極化方向圖。從圖3中可以看出方向圖對稱性較好,且主極化分量與交叉極化分量之差在主波束范圍內(nèi)達(dá)到20 dB以上,滿足陣列天線對單元性能的要求。

圖3 天線單元方向圖仿真結(jié)果

2 雙圓極化陣列設(shè)計(jì)

由于單脈沖天線需要形成和差方向圖,使得天線陣列分成4個(gè)對稱的象限。如前文分析的那樣,矩形柵格形式的陣列最常見,也按照這種形式排布天線單元。首先研究2×2陣列的輻射特性,天線仿真模型如圖4所示。

圖4 2×2陣列仿真模型

2×2陣列方向圖仿真結(jié)果如圖5所示。從方向圖仿真結(jié)果可以看出,天頂方向主極化與交叉極化差別僅有15 dB左右,而且φ=0°和φ=90°切面左右副瓣不對稱。

圖5 2×2陣列方向圖仿真結(jié)果

對圓極化天線而言,抑制交叉極化電平使其達(dá)到最佳的圓極化性能是十分重要的。根據(jù)陣列天線方向圖乘積定理,當(dāng)陣列中由相同輻射元組成時(shí),陣列方向圖等于單元方向圖與陣因子的乘積。如果不考慮每個(gè)單元電流分布的差異和電磁波繞射的影響,陣列的交叉極化電平與天線單元交叉極化電平相同。為了提高圓極化陣列天線的極化純度,必須對陣列形式進(jìn)行優(yōu)化。通常利用旋轉(zhuǎn)輻射單元,并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度來確定每個(gè)單元輸入相位的變化來實(shí)現(xiàn)交叉極化抑制。本文也是基于這樣的原理調(diào)整圓極化天線單元排布形式,從而達(dá)到對交叉極化抑制的目的,圖6為旋轉(zhuǎn)后的2×2陣列。

圖6 2×2陣列旋轉(zhuǎn)后仿真結(jié)果

從方向圖仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)單元經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后,方向圖對稱性都有很大的改善。特別是主極化與交叉極化之差在天頂方向達(dá)到65 d B以上。由此可以說明旋轉(zhuǎn)單元對圓極化陣列天線而言十分重要,這種方法有效地抑制了交叉極化。

在分析過2×2陣列的基礎(chǔ)上,討論4×4陣列交叉極化抑制。首先,將經(jīng)過單元旋轉(zhuǎn)后的2×2陣列排布成4×4的陣列,如圖7所示。此時(shí)發(fā)現(xiàn)每一個(gè)象限的單元都已經(jīng)旋轉(zhuǎn)對稱,采用旋轉(zhuǎn)每一個(gè)象限來抑制交叉極化已經(jīng)沒有意義。因此考慮通過改變每個(gè)象限的初始饋電相移來實(shí)現(xiàn)交叉極化抑制,下文將對此進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖7 4×4陣列示意圖

3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)從簡單到復(fù)雜,首先根據(jù)2×2陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò),圖8為其仿真模型。

圖8 2×2陣列饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

從圖8中可以看出,為了使每個(gè)單元產(chǎn)生90°的相差,T型功分器中加入了3段90°移相段。這樣可以很好地保持每個(gè)單元同相輸入,同時(shí)能夠很好地抑制交叉極化。

在此基礎(chǔ)上將2×2陣列擴(kuò)展到4×4陣列。并且根據(jù)前文中圓極化交叉極化抑制的方法,旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò),如圖9所示。

圖9 4×4陣列結(jié)構(gòu)示意圖

從圖9中可以看出,每一個(gè)象限的饋電網(wǎng)絡(luò)依次旋轉(zhuǎn)了90°,同時(shí)為了達(dá)到同相輸入的目的,每個(gè)端口饋電也相應(yīng)有90°的相差。如左旋圓極化,每個(gè)象限陣列應(yīng)超前90°;若是右旋圓極化,每個(gè)象限陣列應(yīng)滯后90°。圖10為整個(gè)陣列方向圖仿真結(jié)果。

從陣列總體仿真結(jié)果可以看出,左旋和右旋圓極化方向圖的交叉極化特性以及對稱性都得到了很好的改善,由此說明通過旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了對交叉極化抑制的目的。到此天線陣列的設(shè)計(jì)告一段落,下一步需要對和差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)雙圓極化單脈沖功能。

4 和差器設(shè)計(jì)

對通過比幅法實(shí)現(xiàn)單脈沖功能的天線而言,和差網(wǎng)絡(luò)屬于十分重要的部件,它完成對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行比較,從而得到目標(biāo)的角度信息。和差器的實(shí)現(xiàn)一般通過魔T、環(huán)形電橋和“十”字形分支線電橋來實(shí)現(xiàn)。魔T主要在波導(dǎo)形式的單脈沖天線中使用,對于微帶單脈沖天線而言,一般采用環(huán)形電橋或“十”字形分支線電橋。

圖10 4×4陣列方向圖仿真結(jié)果

雙圓極化單脈沖天線與以往的線極化單脈沖天線不同,其主要體現(xiàn)在為了抑制天線的交叉極化,每個(gè)象限的輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)行了旋轉(zhuǎn),因此每個(gè)象限的初始相位會(huì)依次滯后或超前90°。所以在設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮到這個(gè)因素。

圖11為和差網(wǎng)絡(luò)原理框圖,每個(gè)輸入端都考慮了初始相位。圖12為根據(jù)原理框圖設(shè)計(jì)的“十”字形三分支電橋和差網(wǎng)絡(luò)模型,它既適用于左旋圓極化,也適用于右旋圓極化,不同之處就是在不同極化情況下,網(wǎng)絡(luò)的和差端口不同。對于左旋圓極化陣列,端口5,6,8分別為和端口、俯仰差和方位差端口;對于右旋圓極化陣列,端口7,6,8分別為和端口、方位差和俯仰差端口。因此在天線樣機(jī)驗(yàn)證過程中,加工了兩套和差網(wǎng)絡(luò)。

5 天線實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)前文分析與仿真設(shè)計(jì),加工了天線樣機(jī),圖13為天線實(shí)物。在天線裝配完畢后,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R&S-ZVB 20對天線的S參數(shù)進(jìn)行了測試。圖14為S參數(shù)測試結(jié)果。

圖11 和差網(wǎng)絡(luò)原理框圖

圖12 和差網(wǎng)絡(luò)仿真模型

圖13 天線實(shí)物

圖14 天線S參數(shù)實(shí)測結(jié)果

天線樣機(jī)在微波暗室內(nèi)進(jìn)行了方向圖測試,圖15給出了雙圓極化單脈沖天線的遠(yuǎn)場方向圖測試結(jié)果。測試內(nèi)容包括中心頻點(diǎn)處左旋和右旋圓極化和波束、方位差波束、俯仰差波束方向圖。同時(shí)為了說明天線軸比特性,測試結(jié)果還包括和波束狀態(tài)下的交叉極化特性。

圖15 天線方向圖測試結(jié)果

從圖15方向圖測試結(jié)果可以看出,測試結(jié)果總體與仿真吻合較好,只是左旋圓極化方位和俯仰差波束方向圖對稱性不好,且兩種波束的零深沒有重合。經(jīng)分析,認(rèn)為是在安裝及接頭焊接時(shí)存在誤差及虛焊,導(dǎo)致天線輸入相位與理論值之間存在偏差,從而導(dǎo)致方向圖對稱性不好。

天線增益通過比較法獲得,其中左旋圓極化天線和波束增益為19.32 dB,右旋圓極化和波束增益為19.78 d B。增益測量結(jié)果與指標(biāo)要求稍有差距,但總體上天線各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

本文首先介紹了基于微帶縫隙耦合的雙圓極化單元,其次分別介紹了2×2單元的交叉極化抑制、4×4單元交叉極化抑制和雙極化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),最后根據(jù)天線單元特性,設(shè)計(jì)了分別適合左旋和右旋的和差器。經(jīng)過實(shí)測,天線總體達(dá)到了指標(biāo)要求。但仍有不足之處,主要包括和差網(wǎng)絡(luò)由于尺寸限制沒有與饋電網(wǎng)絡(luò)集成在同一平面,造成加工難度增加等,在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)該提高整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)的緊湊性。

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