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        X波段雷達(dá)干擾機(jī)圓極化天線設(shè)計(jì)

        2020-10-13 10:48:20吳昌松于衛(wèi)剛宋欣豫左國(guó)銀郭超輝
        火控雷達(dá)技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        吳昌松 于衛(wèi)剛 宋欣豫 左國(guó)銀 郭超輝

        (中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 河南洛陽(yáng) 471003)

        0 引言

        X波段廣泛用于跟蹤制導(dǎo)、火控雷達(dá)等領(lǐng)域。目前,X波段的雷達(dá)主要有?;腟BX雷達(dá),陸基的GBR、FBX-T雷達(dá)。為了更好地突破雷達(dá)防御系統(tǒng),雷達(dá)干擾機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。圓極化天線可有效避免極化損耗,并減少了由于多徑效應(yīng)造成的直接信號(hào)與反射信號(hào)之間的互擾[1]。相比于線極化天線,圓極化天線在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中更具優(yōu)勢(shì)。此外,作為雷達(dá)干擾系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,天線的基本要求是輕質(zhì)量、低剖面、易于加工和組裝。

        近年來(lái),學(xué)者已經(jīng)提出了幾種在X波段實(shí)現(xiàn)圓極化的方法。在文獻(xiàn)[2]中,交叉蝶形天線設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)整蝶形的形狀尺寸,使其具有圓極化性能。簡(jiǎn)單的指數(shù)錐形微帶線用于阻抗匹配,阻抗帶寬約為20%,軸比帶寬為10%。在文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一個(gè)圓槽貼片天線。天線采用雙層介質(zhì)基板以拓展帶寬。在上層介質(zhì)板的圓形槽的中心設(shè)計(jì)一個(gè)橢圓形輻射貼片,在下層介質(zhì)板設(shè)計(jì)一個(gè)單點(diǎn)饋電的菱形微帶線用以實(shí)現(xiàn)約軸比帶寬為16%的寬帶圓極化特性。該天線可用于機(jī)載X波段圓極化合成孔徑雷達(dá)的一個(gè)器件。為進(jìn)一步展寬阻抗帶寬和軸比帶寬,采用了多種技術(shù)。在文獻(xiàn)[4]中,采用功分器實(shí)現(xiàn)圓極化特性。為了使結(jié)構(gòu)緊湊,功分器重新定型并設(shè)計(jì)在環(huán)形圈的內(nèi)部。層疊寄生圓形貼片以改善阻抗寬帶和軸比帶寬。

        本文設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段的寬帶圓極化天線,采用四路功分網(wǎng)絡(luò)用以實(shí)現(xiàn)圓極化特性。采用弧形微帶饋線耦合饋電實(shí)現(xiàn)寬帶特性。此天線具有較寬的工作頻帶、良好的輻射特性和較低的交叉極化水平。

        1 天線設(shè)計(jì)

        圖1給出了天線的模型圖。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真,天線采用1 mm厚的羅杰斯5880基板(介電常數(shù)2.2,損耗角正切0.0009)。輻射結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面,饋電網(wǎng)絡(luò)在下表面。四個(gè)圓形貼片分別放置在四個(gè)圓形槽中心位置。諧振頻率是由輻射貼片的電尺寸所決定。天線的輸入阻抗通過(guò)調(diào)整饋線的尺寸和相對(duì)位置以匹配50 Ω的SMA轉(zhuǎn)接頭?;⌒勿伨€的角度設(shè)計(jì)為90°以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的耦合饋電。調(diào)整弧形饋線與圓形貼片的相對(duì)位置以實(shí)現(xiàn)偶極子模式下的更優(yōu)帶寬。饋電網(wǎng)路采用旋轉(zhuǎn)螺旋功分器實(shí)現(xiàn)圓極化。天線的幾何尺寸在表1中給出。

        圖1 天線模型圖

        表1 天線尺寸(mm)

        2 參數(shù)分析

        圖2給出了在不同r1下S參數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出,貼片的尺寸決定了諧振的中心頻率,并影響阻抗帶寬。隨著r1的增加,圓形貼片向弧形微帶邊緣靠攏,耦合電容發(fā)生變化。第一個(gè)諧振頻率變低,第二個(gè)諧振頻率變高,但阻抗帶寬始終保持在20%左右。圓極化是通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺旋功分器實(shí)現(xiàn)的。首先進(jìn)行了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì),使功分網(wǎng)絡(luò)阻抗帶寬可達(dá)25%左右,功分網(wǎng)絡(luò)重要參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)合理的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后,我們優(yōu)化了其他有影響的參數(shù),以獲得更寬的軸比帶寬。圖3顯示r2對(duì)軸比性能的影響。結(jié)果表明,在第一個(gè)諧振頻率下,隨著r2的增加,軸比最優(yōu)值變

        圖2 仿真S參數(shù)r1變化曲線

        圖3 仿真軸比隨r2變化曲線

        小。在第二個(gè)諧振頻率,軸比最優(yōu)值不變。通過(guò)仔細(xì)優(yōu)化r2,在不改變工作頻率的情況下,AR帶寬可以變得更寬。事實(shí)上,合適的圓形槽有助于同時(shí)拓展阻抗和軸比帶寬。

        3 仿真結(jié)果

        圖4給出回波阻抗的曲線,低于10 dB的仿真阻抗帶寬為21.9%(8.75~10.9 GHz)。圖5給出軸比曲線,低于3 dB的仿真軸比曲線為19.6%(8.75~10.65 GHz)。圖6給出天線在最大輻射方向上的增益。在9.0 GHz處增益最大為9.45 dB。圖7描述了在9.0 GHz處和10.0 GHz處輻射方向圖。如圖所示,右旋圓極化在+z方向獲得,左旋圓極化在-z方向獲得,天線具有雙向輻射特性,同時(shí)具有相對(duì)較低的交叉極化水平,3 dB波束寬度范圍內(nèi),天線交叉極化可達(dá)10 dB以上,在低頻處可達(dá)20 dB以上,在輻射頻段內(nèi)方向圖較穩(wěn)定。

        圖4 仿真S11曲線

        圖5 天線仿真軸比曲線

        圖6 天線仿真增益曲線

        圖7 仿真方向圖

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)并仿真了一款寬帶圓極化天線。該天線采用等幅功分網(wǎng)絡(luò)耦合饋電,實(shí)現(xiàn)了寬帶的圓極化特性,且具有寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)。在雷達(dá)干擾系統(tǒng)中具有應(yīng)用前景。

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