陳文俊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

一種低輪廓賦形反射面天線設(shè)計(jì)方法

陳文俊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

詳細(xì)介紹了易于工程實(shí)現(xiàn)的賦形反射面天線設(shè)計(jì)方法。提出了一種俯仰面方向圖預(yù)調(diào)技術(shù)。該技術(shù)可以通過預(yù)先調(diào)整目標(biāo)方向圖，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出來的賦形反射面天線高仰角增益偏小的不足。同時，通過對反射面進(jìn)行橢圓切割，在性能指標(biāo)滿足要求的條件下降低了天線尺寸、質(zhì)量。

雷達(dá)；反射面天線；賦形；方向圖預(yù)調(diào)；切割

Abstract: A method to design the shaped reflector antenna is introduced in detail, which can be easily applied in practice. The pre-compensation pattern technique in elevation is proposed, with which the target pattern is pre-adjusted to effectively compensate for the gain of high elevation angle compared to the conventional methods. Moreover, in the case of meeting the technical requirements, the antenna size and weight are reduced through elliptical cutting of the reflector.

Keywords: radar; reflector antenna; shaped beam; pre-compensation pattern; cutting

0 引 言

賦形反射面天線可以通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方位面360°覆蓋。俯仰面由波束賦形實(shí)現(xiàn)特定覆蓋，從而保證雷達(dá)同時對空中和海面搜索。賦形反射面的設(shè)計(jì)通常是依據(jù)能量守恒定律和幾何光學(xué)的反射定律確定中截線，再選取具有聚焦特性的條帶，二者一起構(gòu)成雙彎曲反射面。

國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員從反射面的一般綜合理論[1-2]、中截線設(shè)計(jì)[3]、條帶選擇[4]到反射面的具體實(shí)現(xiàn)方式等方面對賦形反射面天線進(jìn)行了詳細(xì)的研究。但是，由于計(jì)算中截線時用的是功率方向圖，沒有考慮相位的影響，因此無論哪種方法綜合出來的反射面天線方向圖與實(shí)際要求的都有一定差別。要使設(shè)計(jì)出來的俯仰面方向圖與實(shí)際要求充分接近，必須擴(kuò)大反射面縱向物理尺寸，讓邊緣照射電平足夠小。小型艦艇上裝載賦形反射面天線，則要求天線質(zhì)量輕、風(fēng)載荷小。本文以某型X波段反射面天線為例，給出了一種低輪廓賦形反射面設(shè)計(jì)方法。

2 賦形反射面設(shè)計(jì)方法

2.1 反射面基本參數(shù)選擇

圖1為反射面基本參數(shù)關(guān)系示意圖。天線反射面寬度W可由水平面3 dB波束寬度θa與W關(guān)系的估算[5]：

(1)

俯仰面主波束的3 dB波束寬度θe主要取決于反射面中截線的上半部分。上半部分高度Du的估算公式為

(2)

綜合考慮反射面的焦徑比、口面尺寸以及ψ2+|ψ1|>40°的限制，ψ2、ψ1為反射面中截線上、下張角，選擇ψ2=35°,ψ1=-15°。

圖1 反射面基本尺寸示意圖

2.2 俯仰方向圖預(yù)調(diào)技術(shù)

俯仰面方向圖可以用下列公式[6]擬合：

圖2 擬合的理論方向圖

俯仰面方向圖的主波束寬度主要由賦形反射面的上半部分即Du對應(yīng)的部分決定，下半部分對高仰角波束形狀起重要作用。要使高仰角波束平滑，則應(yīng)加大下半部分尺寸Dd。為了減小反射面尺寸，在不加大Dd的情況下，可通過俯仰面方向圖預(yù)調(diào)技術(shù)修改俯仰面目標(biāo)方向圖。本文設(shè)計(jì)的天線預(yù)調(diào)后的方向圖如圖3 所示。采用該預(yù)調(diào)方向圖設(shè)計(jì)中截線可使最終設(shè)計(jì)的反射面符合要求。

2.3 中截線設(shè)計(jì)

雙彎曲反射面天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定中截線。中截線的形狀決定了天線俯仰面的波束形狀。根據(jù)能量守恒定律和反射定律，可得到計(jì)算中截線的公式如下：

圖3 預(yù)調(diào)后的俯仰面方向圖

(4)

(5)

其中，P(ψ)為初級饋源的俯仰面功率方向圖，F(xiàn)(θ)為次級俯仰面的功率方向圖(圖3表示的方向圖)。公式中的角度關(guān)系如圖4所示。r=ρ/ρ2，r≤1，ρ2為焦點(diǎn)到中截線最上端距離。聯(lián)立式(4)、(5)，一般可取dψ=0.2°，dθ=0.01°迭代求解。當(dāng)求解過程收斂時，求出的r、θ、ψ即為中截線。

2.4 反射面切割技術(shù)

天線在方位面為窄波束。從天線反射出去的射線必須為平行射線，因此應(yīng)在拋物面上截取條帶。常見的條帶包括仰角帶、水平帶和焦點(diǎn)帶。本文選取焦點(diǎn)帶，條帶方程選取的坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 中截線計(jì)算的坐標(biāo)系及角度關(guān)系

焦點(diǎn)帶方程為

(6)

其中

(7)

將中截線坐標(biāo)與條帶方程結(jié)合就可以求出整個反射面坐標(biāo)。為了減小天線的質(zhì)量和風(fēng)阻，以w為長軸、h=Du+Dd為短軸，對設(shè)計(jì)出來的反射面進(jìn)行橢圓切割，其在XY面投影如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述方法設(shè)計(jì)出來的雙彎曲反射天線，用FEKO軟件進(jìn)行了仿真，并對加工實(shí)物進(jìn)行了測試。圖5、6分別為仿真與實(shí)測的中心頻率方位面、俯仰面方向圖。仿真和測量結(jié)果對比表明，天線方位面副瓣小于-30 dB，俯仰面覆蓋超過了45°，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 中心頻率方位面方向圖

圖6 中心頻率俯仰面方向圖

4 結(jié)束語

在給出賦形雙彎曲反射面設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程和方法的基礎(chǔ)上，本文采用俯仰面方向圖預(yù)調(diào)技術(shù)，在反射面高度尺寸受限的條件下保證了俯仰面方向圖高仰角的覆蓋符合要求。該技術(shù)與反射面投影橢圓切割相結(jié)合，降低了反射面輪廓，有效地減小了天線的尺寸、質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)方法可行。

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[2] Yahya Rahmat-samii, Victor Galindo-Isralel. Shaped reflector antenna analysis using the Jacobi-Bessel series[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation,1980(4):28-34.

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[4] 項(xiàng)永華. 雙彎曲賦形反射面天線的外形選擇[J]. 艦船電子對抗，2005(1):37-39.

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[6] 張祖稷，金林，束咸榮. 雷達(dá)天線技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.11：108-110.

A design method of low-profile shaped reflector antenna

CHEN Wen-jun

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN823.27

A

1009-0401(2017)03-0040-03

2017-07-28

陳文俊(1970-)，男，研究員，博士，研究方向：天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。