趙旭，滕衍強(qiáng)，孫建慶，張青，邢曉俊

（中國航天科工集團(tuán)8511研究所， 江蘇 南京 210007）

0 引言

電子戰(zhàn)偵測系統(tǒng)中，測向陣通常為由多個(gè)螺旋天線、喇叭天線組成線陣或圓陣，兩兩單元間或可采用電掃開關(guān)依次切換不同的測向單元，進(jìn)行幅度比較。該方法雖然可減少接收通道數(shù)量，節(jié)約成本，但天線增益較低、瞬時(shí)覆蓋角域較窄，截獲概率較低，降低了系統(tǒng)的綜合性能［1］。

因此，為了在瞬時(shí)寬角滿足較高的測向精度，就需要高增益、較窄波束寬度的多波束天線。本文介紹了一種多波束拋物環(huán)面天線，該天線具有瞬時(shí)覆蓋角域?qū)挕⒏咴鲆?、方向圖指向穩(wěn)定、俯仰波束寬度可控以及工作帶寬可達(dá)到3∶1的特點(diǎn)，因而這種天線適合用于寬帶偵察系統(tǒng)的高靈敏度偵察和測向設(shè)備。

1 天線設(shè)計(jì)

通常多波束拋物環(huán)面天線由拋物環(huán)面、饋源陣列以及輔助支撐結(jié)構(gòu)組成?？紤]到拋物面設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)、成本等因素，拋物面采用單拋物環(huán)面設(shè)計(jì)。同時(shí)綜合考慮饋源工作帶寬寬、相位中心穩(wěn)定、交叉極化小等要求，擬采用比較簡單的基本成束法，即每一波束來源于一個(gè)天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，這種拋物環(huán)面多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、增益損耗小、波束指向穩(wěn)定以及瞬時(shí)覆蓋角域可以靈活拓展等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中可以輔助以高精度俯仰轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)俯仰波束寬角覆蓋［2］。

1.1 饋源設(shè)計(jì)選型及饋源陣設(shè)計(jì)

饋源設(shè)計(jì)選型：由于超寬帶喇叭天線具有較寬的工作帶寬、穩(wěn)定的相位中心等性能，在寬帶饋源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此優(yōu)先選用喇叭天線。

饋源陣設(shè)計(jì)參數(shù)：饋源陣陣元采用超寬帶雙脊喇叭天線形式，饋源間距為35 mm，其夾角約為8.59°。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作頻段重點(diǎn)考慮X波段，采用某分析軟件進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，天線仿真模型如圖1所示，其仿真結(jié)果如圖2—6所示。

圖2 電壓駐比波

圖3 6 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

圖5 10 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

圖6 12 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向圖

1.2 拋物環(huán)面設(shè)計(jì)

相比于常規(guī)拋物面天線，拋物環(huán)面在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的任何平面內(nèi)的截線均為一圓弧線，它組合了拋物面天線和球面天線的優(yōu)點(diǎn)，饋源在圓弧的任一點(diǎn)放置，都不存在偏焦問題，從而具有較好的可控多波束能力，并且在天線整個(gè)掃描角度范圍內(nèi)，其增益或效率無明顯下降，旁瓣電平無明顯上升，天線結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠［3］。

拋物環(huán)面天線的幾何圖如圖7所示，拋物面母線M繞Z軸旋轉(zhuǎn)形成，其旋轉(zhuǎn)半徑為r，其焦點(diǎn)是經(jīng)過F點(diǎn)、半徑為r-f的圓弧。

圖7 拋物環(huán)面天線幾何圖

選取拋物線口面直徑為2 m，圓弧方向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，得到拋物環(huán)面天線的反射面，其投影等效面積為2.7 m×2 m。其方位曲線如圖8所示。

圖8 2.7 m×2 m天線示意圖

1.3 多波束拋物環(huán)面的綜合仿真設(shè)計(jì)

依據(jù)上述拋物環(huán)面的設(shè)計(jì)約束，采用某軟件進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，圖9為仿真模型，仿真結(jié)果如圖10—12所示。從仿真數(shù)據(jù)來看，由于天線在結(jié)構(gòu)上方位面旋轉(zhuǎn)對稱，所以中心波束和邊波束性能基本一致，只是遠(yuǎn)旁瓣有所差別，與理論設(shè)計(jì)結(jié)果吻合。實(shí)測結(jié)果如圖13—15所示，從實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，多個(gè)獨(dú)立波束增益有約1.5 dB的波動(dòng)，分析其原因，主要是饋源遮擋、支撐結(jié)構(gòu)及伺服系統(tǒng)等環(huán)境影響所致，與理論仿真結(jié)果基本吻合。

圖9 拋物環(huán)面多波束天線仿真模型

圖10 6 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖11 9 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖12 12 GHz方位面11波束仿真增益方向圖

圖13 6 GHz方位面11波束測試增益方向圖

圖15 12 GHz方位面11波束測試增益方向圖

2 多波束天線性能拓展仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證工作帶寬及方位維瞬時(shí)覆蓋角域的性能拓展方案的有效性，仿真設(shè)計(jì)了工作頻段覆蓋Ku波段，方位維瞬時(shí)覆蓋±60°角域的拋物環(huán)面多波束天線，其饋源采用寬帶雙脊喇叭天線，饋源陣間距為32 mm。

該天線采用某分析軟件進(jìn)行建模仿真分析，仿真模型如圖16所示。為了提高仿真效率，模型中實(shí)際饋源只覆蓋對稱的一半角域。計(jì)算了中心波束附近多個(gè)波束以及在60°邊沿波束附近多個(gè)波束的特性。仿真結(jié)果如圖17—19所示，從仿真結(jié)果可以看出，工作帶寬和瞬時(shí)覆蓋角域±60°內(nèi)，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

圖16 多波束天線仿真模型

圖18 12 GHz方位面部分波束仿真增益方向圖

圖19 18 GHz方位面部分波束仿真增益方向圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種應(yīng)用于測向系統(tǒng)的拋物環(huán)面天線設(shè)計(jì)方法，對仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，且對波束等幅特性進(jìn)行了定量分析驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，為了滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求，還進(jìn)一步通過理論分析，對工作帶寬、瞬時(shí)寬角覆蓋等電性能指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，拓展了高增益、多波束體制測向天線的實(shí)現(xiàn)方式，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。