圓極化／雙極化四喇叭單脈沖饋源設(shè)計

孫 浩

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

隨著飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等技術(shù)的發(fā)展，對跟蹤雷達(dá)的跟蹤速度、跟蹤精度和跟蹤距離都提出越來越高的要求，特別是對高速目標(biāo)在各種極化類型及氣候情況下的跟蹤測量的要求。近年來，特別是電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，單一線極化工作方式的雷達(dá)已經(jīng)不能滿足天線系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作要求，雙極化、圓極化跟蹤天線可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。四喇叭單脈沖饋源的工作原理如圖1所示。

沿軸線接收的目標(biāo)信號全部進(jìn)入和支路，而方位差和俯仰差通道信號基本對消。在略高或略低于軸線時，目標(biāo)接收的信號將在俯仰端輸出一不平衡信號，同樣，任何一個方位上的誤差都會在方位端輸出一不平衡信號。在每種情況下信號幅度與相位誤差分量成正比，在幅度比較的同時再通過相位比較可以判斷出目標(biāo)所在的位置，從而完成目標(biāo)跟蹤［1］。

圖1 四饋源單脈沖天線工作原理

1 圓極化四喇叭單脈沖饋源設(shè)計

圓極化四喇叭單脈沖饋源采用結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于加工的隔板圓極化器來實現(xiàn)，如圖2所示。當(dāng)圓極化波穿過隔板圓極化器到達(dá)另一邊，隔板將完成TE10模的電場旋轉(zhuǎn)±90°，并提供TE01模90°的相位延時，如圖2所示。這樣左右旋圓極化電磁波通過隔板后將會轉(zhuǎn)化為線極化，以實現(xiàn)圓線極化轉(zhuǎn)換的過程，原理如圖3所示。

圖2 隔板圓極化器結(jié)構(gòu)示意圖和端口定義

圖3 圓極化－線極化轉(zhuǎn)換原理圖

通過對隔板圓極化器S參數(shù)的分析可以推導(dǎo)出影響隔板圓極化器隔離與軸比特性的因素，為仿真設(shè)計提供指導(dǎo)和參考，在隔板圓極化器S參數(shù)矩陣中，由結(jié)構(gòu)對稱、場型特點以及無耗網(wǎng)絡(luò)的幺正特性可以推出：s11＝s22，又由隔板圓極化器自身特點可理想地認(rèn)為：

得出：

從而得出：

由式（1）可以得出：盡量減小公共端反射系數(shù)才能提高端口隔離。

影響隔板圓極化器軸比的主要有2個因素：（1）s13和s14幅度不一致；

（2）s13和s14相位差偏離90°。

由s13和s14幅度不一致產(chǎn)生的軸比為：

由s13和s14相位差偏離90°產(chǎn)生的軸比為：

工程上近似認(rèn)為隔板圓極化軸比為：Ra＝（Ra1＋Ra2）。由分析可得：如果使s13和s14相位差偏離90°時，Ra2＝0，軸比Ra＝Ra1。為提高天線軸比性能，應(yīng)盡量減小公共端反射系數(shù)。

通過全波分析方法對模型（見圖4）進(jìn)行了仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了優(yōu)良的單脈沖天線性能和良好的圓極化軸比［2－3］。由仿真結(jié)果（見圖5～圖9）可以看出，天線在整個要求的頻帶內(nèi)駐波比≤1.14，隔離度＞20dB，天線零深＜－30dB，軸比＜1.1dB，交叉極化電平＜－25dB。

圖5 饋源駐波曲線圖

圖6 饋源左右旋圓極化隔離

圖7 饋源和差方向圖及交叉極化電平

2 雙極化四喇叭單脈沖饋源設(shè)計

圖10給出了正交模耦合器（OMT）的原理示意圖，其主要工作原理是利用電磁波極化的正交性，將公共端正交的電磁波分離開來或?qū)烧粯O化的電磁波由一公共端發(fā)射出去［4－6］。

矩形波導(dǎo)中 TEmn的截止波長［7，8］：

圖8 饋源軸比曲線

圖9 饋源軸比方向圖

圖10 正交模耦合器原理圖

式中：a為矩形波導(dǎo)寬邊長；b為矩形波導(dǎo)窄邊高。

公共端一般采用方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)，本文采用方波導(dǎo)虛擬對稱結(jié)構(gòu)的膜片正交模耦合器（OMT）。為了保證只傳輸TE10和TE01模，而不傳輸TE11和TM11，需公共端方波導(dǎo)邊長a滿足：

同樣膜片對極化方式與膜片平行的電磁波的衰減量為：

式中：a為衰減常數(shù)；l為膜片長度。

通過全波分析方法對模型（見圖11）仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了優(yōu)良的單脈沖天線性能和良好的極化隔離。

由仿真結(jié)果（圖12～圖14）可以看出，天線在整個要求的頻帶內(nèi)駐波比≤1.45，隔離度＞48dB，天線零深＜－30dB，交叉極化電平＜－25dB。

3 單脈沖饋源饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

圖11 雙極化四喇叭單脈沖饋源仿真模型

圖12 饋源駐波曲線

圖13 饋源極化隔離曲線

圖14 饋源和差方向圖及交叉極化電平曲線

在單脈沖雷達(dá)工作體制中，為形成單脈沖測距、測角的和差波束，高性能的和差饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計也變得尤為重要。本文設(shè)計的單脈沖天線饋電網(wǎng)絡(luò)使用波導(dǎo)和差比較器，共由4個魔T組成，其示意圖如圖15所示［7，9］。在天線工作的頻段上，和差比較器通常應(yīng)符合下列要求：

圖15 四魔T單脈沖和差比較器原理圖

（1）端口駐波要盡可能小，特別是和路端口，一般要求各端口駐波比≤1.25；

（2）和端口到各輸出端之間的信號傳輸應(yīng)等幅同相，幅度偏差應(yīng)≤0.2dB，相位偏差應(yīng)≤3°；

（3）差端口與各個輸出端之間傳輸應(yīng)等幅反相，幅度偏差≤0.2dB，相位偏差應(yīng)≤3°；

（4）和端口與差端口相互隔離，隔離度應(yīng)盡量大，不小于30dB。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過使用折疊E－T和折疊H－T大大減小了和差比較器的體積。通過全波分析軟件優(yōu)化仿真，得到了理想的和差比較器的性能。性能曲線如圖16所示。

圖17～圖20分別給出了和差比較器的各項指標(biāo)，通過曲線可以看出：和差比較器各端口駐波比≤1.25；和端口到各輸出端口幅度起伏≤0.2dB；相位偏差≤0.3°；和差端口隔離度＞40dB。

圖16 單脈沖和差比較器仿真模型

圖17 和差比較器駐波曲線圖

圖18 和差比較器幅度一致性曲線

圖19 和差比較器相位比較

4 結(jié)束語

圖20 和差比較器極化隔離曲線

單脈沖跟蹤天線的跟蹤精度高，圓極化、雙極化跟蹤天線可以滿足系統(tǒng)在較復(fù)雜工作環(huán)境下的工作需求，提高天線在特定電磁環(huán)境下的性能，具有較廣泛的應(yīng)用前景。隔板圓極化器可以同時實現(xiàn)左右旋圓極化變換，結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，并且電性能指標(biāo)也比較理想；正交模耦合器可以實現(xiàn)極化分離，在雙極化和變極化系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛；性能優(yōu)良的單脈沖和差比較器是實現(xiàn)單脈沖雷達(dá)測距、測角的關(guān)鍵。本文所設(shè)計仿真的圓極化、雙極化四喇叭單脈沖天線以及單脈沖和差比較器性能優(yōu)良，各項指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］謝處方，邱文杰.天線原理與設(shè)計［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1985.

［2］徐繼東.隔板圓極化器設(shè)計及S參數(shù)分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（8）：52－53.

［3］施小波，席曉麗，劉江帆.Ka波段隔板圓極化器設(shè)計［A］.2009年全國天線年會論文集（下）［C］，2009：979－982.

［4］Boifot E A M，Schaug－Pettersen Lier T.Simple and broadband orthomode transducer［J］.IEE Proceedings，1990，137（6）：396－400.

［5］Goutam Chattopadhyay，Byron Philhour，Carlstrom John E，Sarah Church，Andrew Lange，Jonas Zmuidzinas.A 96－GHz ortho－mode transducer for the polatron［J］.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1998，8（12）：421－423.

［6］Tian－LingZhang，Ze－HongYan，LeiChen，F(xiàn)ang－Fang Fan.Design of broadband orthomode transducer based on double ridged waveguide［A］.ICMMT 2010Proceedings 2010IEEE［C］，2010：765－768.

［7］廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

［8］梁昌洪，謝擁軍，官伯然.簡明微波［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［9］David M Pozar.微波工程［M］.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.