徐志剛

（四川信息職業(yè)技術學院 四川 廣元　628040）

W波段切割拋物面收發(fā)雙天線系統(tǒng)的研究

徐志剛

（四川信息職業(yè)技術學院 四川 廣元628040）

為適應市場的需求，通過發(fā)展趨勢、開發(fā)內(nèi)容、技術關鍵、技術路線、技術指標、應用前景這些方面詳細介紹了W波段切割拋物面收發(fā)天線系統(tǒng)。其中仿真結果表明，設計的雙拋物面收發(fā)分置反射面可以很好地將喇叭饋源映射到發(fā)分置反射面雙天線副鏡的焦點。采用物理光學法對整個天線系統(tǒng)的幅度方向圖進行仿真分析，結果顯示該收發(fā)分置反射面雙天線具有高增益和較高的極化純度。通過更換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作。

W波段；角錐喇叭；反射面雙天線；系統(tǒng)研究

目前使用較多的毫米波天線有反射面天線、透鏡天線和喇叭天線。除此之外，一些較低頻率的天線也能適用于毫米波頻率，如裂縫偶極子和低介電損耗微帶天線等。然而，在高增益應用場合，反射面天線相對其他種類天線來說，更具有增益大、工作頻段更高、損耗小等優(yōu)勢。

1）天線幾何尺寸選取的合理性；

2）天線輻射特性的準確計算方法；

3）零件制造與檢驗，裝配與調(diào)試。

3　技術路線

1　發(fā)展趨勢和開發(fā)內(nèi)容

由于受應用限制，國內(nèi)的毫米波天線應用多在Ka頻段，而在W頻段或更高頻段，未見公開報道。

本系統(tǒng)是一個工作在W波段的收發(fā)分置反射面雙天線，通過更換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作。

反射面天線要在俯仰面產(chǎn)生一個相對較寬的波束（2°～3°），而在方位面產(chǎn)生一個相對較窄的波束（0.2°～0.5°），因此采用切割拋物面作為收發(fā)天線比較合適，一般情況下，切割拋物面效率很難做高，只能經(jīng)過精心設計做到最佳。

2　技術關鍵

從反射面產(chǎn)生的波束寬度來看，天線屬于電大尺寸，天線性能取決于以下幾個方面：

1）采用Ansoft公司的HFSS軟件進行饋源仿真設計

HFSS仿真技術已十分成熟，可用于饋源設計，根據(jù)天線邊緣照射電平要求，設計調(diào)整喇叭的口徑尺寸及喇叭長度，適當考慮饋源的駐波要求。

2）采用物理光學法計算拋物面天線的輻射特性

由于天線屬于電大尺寸，受計算機內(nèi)存及運行速度的限制，軟件仿真法已不適用于天線輻射特性的計算，我們采用物理光學法計算拋物面天線的輻射特性，其計算過程如下：

①建立計算用饋源理論模型

實際喇叭的仿真特性與計算用饋源理論模型的特性有差異，通過在不同的角度區(qū)域，改變理論模型的口徑，使其逼近實際喇叭的仿真特性，減少計算誤差，我們以采用此方法成功設計過Ka波段副瓣小于-30 dB的天線。

②偏置切割拋物面特性參數(shù)計算

建立計算坐標系（見圖1），拋物面焦點位于坐標系XYZ的原點，那么其頂點坐標為（0，0，-f）。

復電場可表示為：

可以將復電場化為標量遠場，標量遠場的數(shù)學推導較為繁瑣，這里從略。

圖1　拋物面天線輻射場計算坐標Fig.1　Paraboloid antenna radiation field calculation coordinates

計算標量遠場時，是將積分化為求和進行的，考慮到我們計算時的波長約4 mm，求和時xy方向的網(wǎng)格劃分小于1 mm×1 mm

3）結構要求

若采用鍛鋁進行高速銑精密加工，拋物面形面誤差小于0.02。若用碳纖維復合材料制造，拋物面形面誤差小于0.05。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小0.02），重量要輕。

4）結構設計和加工

天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，故材料采用為碳纖維復合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。

拋物面模具加工分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應力消除），精加工成型為了保證拋物面形面，采用工裝夾具和數(shù)控加工。工裝夾具精度要求更高。天線外形尺寸700×100×140，重量約3 kg。

喇叭采用整體線切割成形。彎波導采用線切割焊接成型，最終通過測試檢驗。若焊接不能保證電氣要求，就采用電鑄整體成形。

4　技術指標

天線形式：上下布置的切割拋物面收發(fā)雙天線（收發(fā)可互換）

工作頻率范圍：80.GHz±800 MHz

天線水平孔經(jīng)：約700 mm

增益：≥45 dB

副瓣電平：≤-25 dBc（最好達-28 dBc）

收發(fā)隔離度：≥30 dB

極化：垂直/水平/圓

方位波束寬度：0.4°±0.02°

俯仰波束寬度：2.4°±0.1°

駐波：1.1∶1

天線接口：WR12波導+UG387/u法蘭

收發(fā)饋線損耗：（1.5+1.5）dB

裝配要求：收發(fā)天線整體裝配，電軸保持一致

天線重量：盡可能輕

其他要求：有瞄準鏡波束瞄準裝置，有調(diào)平裝置，保證方位掃描時天線俯仰指向不變，溫度變化時天線性能不發(fā)生明顯變化。

5　應用前景

本系統(tǒng)是針對機場和航空母艦跑道監(jiān)視雷達應用研制的，現(xiàn)在國內(nèi)幾乎所有的機場在飛機起降間隔內(nèi)，都是乘巡道車采用人工巡視的方法檢查跑道上有多類似于螺釘?shù)日系K物的，毫無疑問，這將費時又費力，而且可靠性也不會高。英國QinetiQ公司2006年開發(fā)出外來物體碎片 （FOD）（Foreign Object Debris）自動檢測儀Tarsier，可以替代人工進行機場跑道監(jiān)視。

據(jù)消息國內(nèi)已有機構在開發(fā)類似的收發(fā)機和信號處理器，作為配套的天線系統(tǒng)，無疑有著廣闊的市場前景。

團隊擁有Ansoft公司的HFSS軟件及天線設計程序包，有工程經(jīng)驗豐富的天線專業(yè)設計師，完全可以自主設計天線。

結構設計與加工

1）喇叭加工采用整體線切割成形。彎波導采用線切割焊接成型，最終通過測試檢驗。

2）加工天線外形尺寸為700×100×140，材料外形比較大，拋物面形面誤差小，加工精度高，拋物面形面誤差小于0.1，為了保證精度，提高模具精度，采取嚴格工藝方法。材料和膠選擇上嚴格把關，可以保障天線精度。碳纖維復合材料天線重量更輕，環(huán)境影響更小，適應大批量生產(chǎn)。故材料采用為碳纖維復合材料，這樣保證加工變形小。為了減輕重量，在天線背面銑減輕槽面。天線背面為安裝面，天線性能取決于安裝平面精度，所以天線安裝平面精度要求很高。平面度0.02。安裝孔精度為±0.02。

拋物面模具加工要求比較高，模具分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效處理（應力消除），精加工成型。為了保證模具拋物面形面，正確選拝工裝夾具和數(shù)控加工。

若用碳纖維復合材料制造，拋物面形面誤差小于0.10。饋源與天線安裝精度要求高（位置誤差小0.02），

3）調(diào)試設備和儀表與081總廠和電子科大合作。而波束寬度窄，轉臺精度高，沒有合適轉臺，調(diào)試工裝自己制造。

4）天線架子加工：天線架子采用鋁板加工，保證安裝加工精度。天線與安裝架子精度靠銷子定位，同時用工裝來實現(xiàn)（如圖2）。喇叭位置由架子定位孔安裝，同時用工裝檢驗。最終通過調(diào)試決定。瞄準鏡跟據(jù)天線電氣固定。天線架子高約600 mm，安裝喇叭隔板長約510 mm。安裝天線支架底板為320×320 mm。總重量約20 kg［7］。

6　結　論

圖2　天線與安裝支架底板Fig.2　Antenna and the floor mounting bracket

該設計的雙拋物面收發(fā)分置反射面可以很好地將喇叭饋源映射到發(fā)分置反射面雙天線副鏡的焦點。采用物理光學法對整個天線系統(tǒng)的幅度方向圖進行仿真換饋源，天線可以在線/園極化狀態(tài)下工作，達到設計要求。

［1］李高升．拋物面天線饋源偏焦的理論及應用研究［J］．雷達與對抗，2004（3）：39-41.

［2］李鵬．考慮饋源位置誤差的面天線機電耦合優(yōu)化設計［J］.電子學報，2010（6）：2-4.

［3］王偉．機械結構因素對反射面天線電性能的影響機理及其應用［J］．西安電子科技大學，2011（10）：39-51.

［4］陳志華.星載拋物面天線賦形方法及熱分析研究［J］.浙江大學，2008（6）：18-25.

［5］楊東武.拋物面索網(wǎng)天線的最佳型面設計方法［J］.機械工業(yè)學報，2011（9）：125-127.

［6］潘貽亮.導彈天線罩精密修磨機床的CAM軟件設計與開發(fā)［J］.大連理工學報，2003（5）：16-32.

［7］何克強，譚偉.雙反射面天線近場等效增益快速估算［J］.微波學報，2014（S2）：137-140.

Research on W band cut parabolic of the reflection planedouble antenna system

XU Zhi-gang
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628040，China）

In order to meet the market demand，the author through these aspects of development trend，development content，key technology，technical route，technical index and application prospect，who introduces the W band cut parabolic antenna transceiver system in detail.The simulation results show that the focus of double paraboloid transceiver design division reflector which can very well be feed horn is mapped to the hair splitting reflector double antenna side mirror.Simulation analysis of the whole antenna amplitude diagram of the system by using the physical optics method，the results show the polarization purity in the bistatic reflection plane double antenna with high gain and high.By changing the feed，the antenna can be online/circular polarization state work.

W band；pyramidal horn；reflection plane double antenna；system study

TN928

A

1674-6236（2016）03-0104-03

2015-02-26稿件編號：201502133

徐志剛（1962—），男，福建浦城人，副教授。研究方向：電子信息。