(西安電子科技大學電子工程學院天線與微波重點實驗室,陜西西安710071)

0 引言

為了精確獲得目標的角度和速度,單脈沖雷達發(fā)揮了重要作用。單脈沖天線作為單脈沖雷達的最重要的一部分,始終是人們研究的重點[1-3]。單脈沖天線實現原理比較簡單,即通過變換不同象限中輻射單元的相位,就可以實現和波束、方位差波束及俯仰差波束。早期單脈沖天線主要利用卡塞格侖天線實現,使用多模喇叭或其他多模技術獲得單脈沖天線的和、差信號[4]。但是單脈沖雷達為了搜尋目標需要快速轉動,而反射面天線體積笨重,其轉動慣量大,不利于天線的快速移動、快速展開。在隨后的發(fā)展中,由于波導縫隙天線具有增益高、體積小、輻射效率高,以及無口徑遮擋效應、可精確控制天線表面電磁場的分布、有效抑制交叉極化分量的顯著特點,常被用來設計單脈沖天線。當微帶天線加工技術逐漸成熟后,由于其低剖面、重量輕、易于共形、結構簡單、成本低等原因,成為多數天線設計的首選,大量以微帶形式為基礎的單脈沖天線出現在人們眼前[5-8]。目前國內外出現了許多針對單脈沖天線新型技術,如基于介質集成波導的毫米波平面單脈沖天線[2],主要發(fā)展趨勢也是小型化、功能多樣化。而基于微帶分析耦合的雙圓極化單脈沖天線正滿足這樣的需求。其包括雙圓極化單元、雙圓極化的饋電網絡、單脈沖和差網絡。雙圓極化單元采用微帶雙H縫隙耦合的形式,單元饋電則采用3 d B電橋。為了得到更好的軸比,陣中每一個單元都按照一定規(guī)律旋轉,因此饋電網絡根據單元的排布不同也作相應的調整。和差網絡在計入單元圓極化特性后,通過環(huán)形電橋來實現。最后對天線加工實物進行了實測,對實測結果進行了分析。

1 雙圓極化單元設計

天線單元的選擇要從天線輻射特性、結構形式、帶寬,以及輻射效率等方面考慮。雙圓極化單脈沖天線首先要實現雙圓極化功能,即天線單元就應滿足雙圓極化的特性。由于微帶天線低剖面、易于加工、低成本等原因成為許多天線首選。利用微帶天線實現雙圓極化的方式很多,其中微帶縫隙耦合形式因為饋電網絡與輻射貼片分層后,從而可以屏蔽掉多余的饋線輻射,另外天線饋電網絡可以使用不同厚度的介質基板,如采用厚基板來提高天線帶寬,等等。本文就是利用微帶縫隙耦合形式來實現雙圓極化功能。圖1為天線單元結構示意圖。

圖1 雙圓極化H形縫隙耦合單元

圖2為單元饋電網絡設計過程。首先,為了實現單元的雙圓極化功能,單元的饋電網絡選用3 dB電橋。其次,為了將饋電網絡與輻射縫隙良好的匹配將電橋進行了變形,即從耦合支路中線處彎折90°,使得電橋兩輸入端分別對應左旋圓極化和右旋圓極化,兩輸出端分別對應H型縫隙,且通過耦合向輻射貼片饋電。

圖2 單元饋電網絡設計過程

由于采用電橋的形式饋電,單個H型縫隙無法實現雙圓極化饋電,因此兩個H形縫隙的排布勢必造成輻射貼片饋電的不對稱性。為了消除影響,對輻射貼片的大小、高度,以及H型縫隙尺寸利用仿真軟件HFSS進行了優(yōu)化。其中Ls=18 mm,La=6 mm,D=55 mm。圖3為天線單元左旋圓極化和右旋圓極化方向圖。從圖3中可以看出方向圖對稱性較好,且主極化分量與交叉極化分量之差在主波束范圍內達到20 dB以上,滿足陣列天線對單元性能的要求。

圖3 天線單元方向圖仿真結果

2 雙圓極化陣列設計

由于單脈沖天線需要形成和差方向圖,使得天線陣列分成4個對稱的象限。如前文分析的那樣,矩形柵格形式的陣列最常見,也按照這種形式排布天線單元。首先研究2×2陣列的輻射特性,天線仿真模型如圖4所示。

圖4 2×2陣列仿真模型

2×2陣列方向圖仿真結果如圖5所示。從方向圖仿真結果可以看出,天頂方向主極化與交叉極化差別僅有15 dB左右,而且φ=0°和φ=90°切面左右副瓣不對稱。

圖5 2×2陣列方向圖仿真結果

對圓極化天線而言,抑制交叉極化電平使其達到最佳的圓極化性能是十分重要的。根據陣列天線方向圖乘積定理,當陣列中由相同輻射元組成時,陣列方向圖等于單元方向圖與陣因子的乘積。如果不考慮每個單元電流分布的差異和電磁波繞射的影響,陣列的交叉極化電平與天線單元交叉極化電平相同。為了提高圓極化陣列天線的極化純度,必須對陣列形式進行優(yōu)化。通常利用旋轉輻射單元,并且根據旋轉的角度來確定每個單元輸入相位的變化來實現交叉極化抑制。本文也是基于這樣的原理調整圓極化天線單元排布形式,從而達到對交叉極化抑制的目的,圖6為旋轉后的2×2陣列。

圖6 2×2陣列旋轉后仿真結果

從方向圖仿真結果可以看出,當單元經過旋轉后,方向圖對稱性都有很大的改善。特別是主極化與交叉極化之差在天頂方向達到65 d B以上。由此可以說明旋轉單元對圓極化陣列天線而言十分重要,這種方法有效地抑制了交叉極化。

在分析過2×2陣列的基礎上,討論4×4陣列交叉極化抑制。首先,將經過單元旋轉后的2×2陣列排布成4×4的陣列,如圖7所示。此時發(fā)現每一個象限的單元都已經旋轉對稱,采用旋轉每一個象限來抑制交叉極化已經沒有意義。因此考慮通過改變每個象限的初始饋電相移來實現交叉極化抑制,下文將對此進行詳細討論。

圖7 4×4陣列示意圖

3 饋電網絡設計

饋電網絡的實際應從簡單到復雜,首先根據2×2陣列的結構特點設計饋電網絡,圖8為其仿真模型。

圖8 2×2陣列饋電網絡示意圖

從圖8中可以看出,為了使每個單元產生90°的相差,T型功分器中加入了3段90°移相段。這樣可以很好地保持每個單元同相輸入,同時能夠很好地抑制交叉極化。

在此基礎上將2×2陣列擴展到4×4陣列。并且根據前文中圓極化交叉極化抑制的方法,旋轉饋電網絡,如圖9所示。

圖9 4×4陣列結構示意圖

從圖9中可以看出,每一個象限的饋電網絡依次旋轉了90°,同時為了達到同相輸入的目的,每個端口饋電也相應有90°的相差。如左旋圓極化,每個象限陣列應超前90°;若是右旋圓極化,每個象限陣列應滯后90°。圖10為整個陣列方向圖仿真結果。

從陣列總體仿真結果可以看出,左旋和右旋圓極化方向圖的交叉極化特性以及對稱性都得到了很好的改善,由此說明通過旋轉饋電網絡達到了對交叉極化抑制的目的。到此天線陣列的設計告一段落,下一步需要對和差網絡進行設計,最終實現雙圓極化單脈沖功能。

4 和差器設計

對通過比幅法實現單脈沖功能的天線而言,和差網絡屬于十分重要的部件,它完成對接收到的雷達信號進行比較,從而得到目標的角度信息。和差器的實現一般通過魔T、環(huán)形電橋和“十”字形分支線電橋來實現。魔T主要在波導形式的單脈沖天線中使用,對于微帶單脈沖天線而言,一般采用環(huán)形電橋或“十”字形分支線電橋。

圖10 4×4陣列方向圖仿真結果

雙圓極化單脈沖天線與以往的線極化單脈沖天線不同,其主要體現在為了抑制天線的交叉極化,每個象限的輻射單元和饋電網絡都進行了旋轉,因此每個象限的初始相位會依次滯后或超前90°。所以在設計和差網絡時必須考慮到這個因素。

圖11為和差網絡原理框圖,每個輸入端都考慮了初始相位。圖12為根據原理框圖設計的“十”字形三分支電橋和差網絡模型,它既適用于左旋圓極化,也適用于右旋圓極化,不同之處就是在不同極化情況下,網絡的和差端口不同。對于左旋圓極化陣列,端口5,6,8分別為和端口、俯仰差和方位差端口;對于右旋圓極化陣列,端口7,6,8分別為和端口、方位差和俯仰差端口。因此在天線樣機驗證過程中,加工了兩套和差網絡。

5 天線實測結果分析

根據前文分析與仿真設計,加工了天線樣機,圖13為天線實物。在天線裝配完畢后,利用矢量網絡分析儀R&S-ZVB 20對天線的S參數進行了測試。圖14為S參數測試結果。

圖11 和差網絡原理框圖

圖12 和差網絡仿真模型

圖13 天線實物

圖14 天線S參數實測結果

天線樣機在微波暗室內進行了方向圖測試,圖15給出了雙圓極化單脈沖天線的遠場方向圖測試結果。測試內容包括中心頻點處左旋和右旋圓極化和波束、方位差波束、俯仰差波束方向圖。同時為了說明天線軸比特性,測試結果還包括和波束狀態(tài)下的交叉極化特性。

圖15 天線方向圖測試結果

從圖15方向圖測試結果可以看出,測試結果總體與仿真吻合較好,只是左旋圓極化方位和俯仰差波束方向圖對稱性不好,且兩種波束的零深沒有重合。經分析,認為是在安裝及接頭焊接時存在誤差及虛焊,導致天線輸入相位與理論值之間存在偏差,從而導致方向圖對稱性不好。

天線增益通過比較法獲得,其中左旋圓極化天線和波束增益為19.32 dB,右旋圓極化和波束增益為19.78 d B。增益測量結果與指標要求稍有差距,但總體上天線各項性能達到了設計指標要求。

6 結束語

本文首先介紹了基于微帶縫隙耦合的雙圓極化單元,其次分別介紹了2×2單元的交叉極化抑制、4×4單元交叉極化抑制和雙極化饋電網絡的設計,最后根據天線單元特性,設計了分別適合左旋和右旋的和差器。經過實測,天線總體達到了指標要求。但仍有不足之處,主要包括和差網絡由于尺寸限制沒有與饋電網絡集成在同一平面,造成加工難度增加等,在今后的設計中應該提高整個饋電網絡的緊湊性。

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