李其福，潘國平，蔣知彧，周承斌

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

船載C+S頻段共面單脈沖天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李其福，潘國平，蔣知彧，周承斌

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

航天測量船在執(zhí)行海上測控任務(wù)時，主要跟蹤目標(biāo)為C頻段和S頻段的航天器。受甲板面積限制，測量船無法在甲板上安裝多套不同頻段的天線，設(shè)計(jì)C+S雙頻段共用天饋系統(tǒng)就顯得尤為必要；在C+S頻段天饋系統(tǒng)的硬件選擇上，C頻段初級輻射器采用單喇叭方式，利用TE01模、TE21模、TM01模3個差模對目標(biāo)實(shí)施跟蹤；S頻段初級輻射器采用四喇叭方式，利用四喇叭的信號合成對目標(biāo)實(shí)施跟蹤；設(shè)計(jì)C+S雙頻段天饋系統(tǒng)時采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，確定了天線反射面和饋源喇叭的形式及相對關(guān)系尺寸;并通過仿真計(jì)算出天饋系統(tǒng)的增益、副瓣電平、差波瓣零深、差斜率等方向圖關(guān)鍵指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了雙頻段天線的小型化和合建的目的，滿足航天測量船船載設(shè)備的使用要求。

單脈沖天線；雙頻段饋源；和差方向圖

0 引言

我國在航天飛行試驗(yàn)中要求有足夠的測控通信覆蓋率，一些特征段必需由地面提供測控支持，即便是考慮在全球陸地上布站，也不一定能選到合理的站點(diǎn)位置，因此，航天測量船作為海上活動測量站，可以在海上靈活、合理地布置，甚至可以在一次航天飛行中，前后在兩個點(diǎn)位完成任務(wù)，所以測量船在航天測控網(wǎng)發(fā)展過程中起到了不可替代的作用[1]。但是，航天測量船在執(zhí)行多個任務(wù)時，需要跟蹤不同的航天器，而每個航天器均有著自己的測控頻段，其頻段可從S頻段可一直延伸至Ka頻段，但航天測量船受甲板面積及天線布局限制，無法安裝多副不同頻段的天線，因此，考慮多頻段天線合建，是解決該問題的一個便捷途徑。

本文針對這一現(xiàn)狀，介紹了一種C+S頻段共面單脈沖天線的設(shè)計(jì)，C頻段主要采用脈沖波的工作方式，通過對脈沖信號的發(fā)射、接收和跟蹤，完成對航天器軌道的測量；S頻段采用連續(xù)波的工作方式，主要完成對S頻段遙測信號的接收、解調(diào)和跟蹤測量任務(wù)。

1 C+S雙頻段天饋系統(tǒng)組成

C+S雙頻段天饋系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：天線、多模組合饋源和饋線組成。

天線采用修正卡塞格倫雙鏡天線[2]，為C+S雙頻段共用；多模組合饋源是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線的性能與它密切相關(guān)。雙頻饋源采用多喇叭體制，C頻段喇叭位于中心，S頻段4個扇形喇叭位于四周；饋線主要由接收饋線和發(fā)射饋線組成，主要部件有波導(dǎo)開關(guān)、定向耦合器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等。

2 雙頻段天饋系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 天線反射面方案

天線反射面采用卡塞格倫式，其幾何示意圖如圖1所示，為保證天線在C頻段的效率，天線采用了主、副面修正技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)確定天線的主要參數(shù)為：

主反射面直徑：Dm=10 160 mm

主反射面焦徑比：Fm/Dm=0.30596

副反射面直徑：Ds=1 100 mm

副面邊緣照射角：θ=20°

圖1 天線反射面幾何示意圖

2.2 C+S雙頻組合饋源

組合饋源設(shè)計(jì)的主要原則是：首先要保證天線在C頻段的工作效率，同時兼顧S頻段天線效率，綜合考慮天線的增益、副瓣電平、差波瓣零深以及差斜率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，滿足系統(tǒng)的使用要求。

根據(jù)對C+S雙頻段天線指標(biāo)要求的分析，C+S雙頻饋源可采用多喇叭體制，即C頻段喇叭采用單孔多模喇叭，位于相位中心；S頻段采用4個扇形口面喇叭，并位于C頻段喇叭的四周?？紤]到C頻段喇叭必須達(dá)到一定尺寸的孔徑才能獲得足夠大的天線效率，而4個S頻段喇叭陣列的單元口徑也不能太小，否則會導(dǎo)致S頻段天線方向圖畸變、天線效率下降。因此S頻段喇叭陣列的口徑及間距由中心C喇叭口徑和結(jié)構(gòu)厚度約束，選擇合適的C喇叭結(jié)構(gòu)和口徑，從而兼顧兩個頻段的性能。

因?yàn)樵黾油鈬鶶喇叭，必須減小中心喇叭的口徑。為保證C頻段天線效率下降達(dá)到最小，選擇變張角光壁多模喇叭，以減小C喇叭的口徑。通過優(yōu)化計(jì)算，篩選喇叭尺寸和方向圖后，其實(shí)際尺寸如圖2所示。其中C頻段喇叭內(nèi)口徑尺寸Dh=200 mm。從理論計(jì)算的方向圖得出，當(dāng)喇叭對副面邊緣的照射角為20°時，邊緣照射電平約為-10 dB，這樣可以最大限度的保證C頻段照射效率[3-4]。

S頻段喇叭陣列由4個扇形喇叭單元組成，垂直方向上2個喇叭單元形成俯仰和/差信號，水平方向上2個喇叭單元形成方位和/差信號[5]。將俯仰/方位上的2喇叭和信號相加，形成4喇叭單元陣列的和信號。組合喇叭幾何示意圖和實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 組合喇叭幾何示意圖及實(shí)物圖

2.3 C+S頻段饋電網(wǎng)絡(luò)

C頻段饋電網(wǎng)絡(luò)部件主要有TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、差模合成網(wǎng)絡(luò)、圓極化器、正交器等部件組成。

雷達(dá)發(fā)出的信號經(jīng)過目標(biāo)反射回來后，通過喇叭接收在圓波導(dǎo)中除了激勵主模作為接收信號外，還可以激勵起3種差模：TE01模、TE21模和TM01模，這3種差模經(jīng)過合成可以和主模形成傳統(tǒng)形式的三通道跟蹤體制[6]。

S頻段饋電網(wǎng)絡(luò)部件主要有扇形口面喇叭、圓極化器、和差網(wǎng)絡(luò)、0/π調(diào)制器、濾波器等組成。

C+S頻段多模自跟蹤饋源的工作原理框圖如圖3所示。關(guān)于C+S頻段各自角誤差信號的具體運(yùn)算原理，讀者可查閱相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再贅述。

圖3 多模自跟蹤饋源的工作原理框圖

3 天線輻射特性仿真計(jì)算和實(shí)測結(jié)果

3.1 天線輻射特性仿真計(jì)算

根據(jù)卡塞格侖天線的方向圖計(jì)算公式，天線的遠(yuǎn)場方向圖可由下式得出：

其中：G(θ,φ)為喇叭的方向圖函數(shù)。

根據(jù)選定的天線幾何參數(shù)，通過仿真計(jì)算了該天線的主要技術(shù)指標(biāo)：天線增益、方向圖第一副瓣電平、波束寬度、零深、差斜率等。仿真計(jì)算可選擇不同的頻點(diǎn)，在C頻段選擇f=5.6 GHz，在S頻段選擇f=2.3 GHz，具體計(jì)算結(jié)果見表1所示，其仿真方向圖見圖4示(該圖只列舉了一個方向和方向圖的切面圖)

表1 C+S雙頻段天線方向圖指標(biāo)估算結(jié)果

圖4 仿真方向圖

3.2 天線輻射特性實(shí)測結(jié)果

表2 C+S雙頻段天線方向圖指標(biāo)實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)語

本文給出了一種船載新型C+S雙頻段拋物面反射天線設(shè)計(jì)技術(shù)，通過對該天線方向圖的仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果表明，該天線兩個頻段的增益、第一副瓣電平、波束寬度、零深、差斜率等均滿足設(shè)計(jì)要求。該天線適合艦船、車載等物理空間相對狹窄的移動平臺安裝使用。

圖5 實(shí)測方向圖

[1] 江文達(dá)，陳道桂，楊仁清.航天測量船[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 仁 波，吳鴻超，朱瑞平等. 漸變槽線天線參數(shù)分析與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(11):58-62

[3] 崔衛(wèi)東，鐘 華.單脈沖雷達(dá)多模饋源分析與設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(1)：107-108

[4] 黎 娜.一種雙頻段喇叭饋源的相位中心分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(7)：99-100.

[5]孫 浩.圓極化/雙極化四喇叭單脈沖饋源設(shè)計(jì)[J].艦船電子對抗，2012，35(5)：84-86.

[6] 趙業(yè)福，李進(jìn)華. 無線電跟蹤測量[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

Design and Application of Ship-borne C/S Monopulse Antenna

Li Qifu, Pan Guoping, Jiang Zhiyu，Zhou Chengbin

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431，China)

The main tracking targets are C-and S-band spacecrafts when TT&C ships carry out maritime tracking and control task. Due to the limited space on board, several sets of different bands antenna can’t be installed wholly on the ship board. So it is necessary for the C-and S-band antennas sharing the same feed system. For the C-and S-band antenna feed system, the C-band primary radiator adopts a single horn, which products a differential mode consisted of TE01 mode, TE21 mode and TM01 mode; the S-band primary radiator four horns with the differential mode signal consisted of the signals producted by all horns. With computer-aided design, the geometries and sizes of the reflector and horn were determined. Simulation and measurement results show that the radiation patterns and the gain in dual bands can satisfy the specifications. Its compactness and miniaturization facilitate TT&C ships.

monopulse antenna；dual frequency feed；sum and difference antenna pattern

2015-09-06；

2016-03-07。

李其福(1971-)，男，高級工程師，碩士，主要從事航天測量船船載測控設(shè)備方向的研究。

1671-4598(2016)07-0159-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.042

V556.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A