雙頻段雙極化共孔徑陣列饋源反射面天線設(shè)計(jì)?

張玉梅,張立新,李 磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

在大氣科學(xué)、海洋科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究中,降水量是個(gè)非常重要的物理量。全球降水分布及其垂直結(jié)構(gòu)的測(cè)量是當(dāng)前全球環(huán)境氣候變化研究中的關(guān)鍵性薄弱環(huán)節(jié),降水量的精確測(cè)量對(duì)進(jìn)行氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)、減災(zāi)防災(zāi)和安排工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各項(xiàng)工作都具有重要意義。

與其他被動(dòng)手段(如可見光、紅外、微波輻射計(jì)等星載傳感器)相比,雙頻段雙極化星載降水測(cè)量雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì)：能實(shí)現(xiàn)全球不間斷測(cè)量;能提供與地面或海面背景輻射無關(guān)的降雨估計(jì),因此能在被動(dòng)傳感器不能正確估計(jì)降雨率的區(qū)域測(cè)量降雨;能測(cè)量暴風(fēng)雨垂直結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),對(duì)估計(jì)潛在的熱剖面和各種不同的大氣科學(xué)研究很重要;提供的暴風(fēng)雨結(jié)構(gòu)和降雨特性可用于訂正被動(dòng)降雨測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

星載降水測(cè)量雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)是雙頻段雙極化一維有源相控陣?yán)走_(dá)。由于平臺(tái)自身尺寸和運(yùn)載能力的限制,要求配裝在其上的雷達(dá)天線體積重量盡量小。但雷達(dá)天線本身的波瓣寬度、增益、副瓣電平等指標(biāo)使得反射面天線的尺寸不能小,這就構(gòu)成了較大的矛盾。雙頻段陣列饋源共拋物柱反射面天線設(shè)計(jì)技術(shù)使得雙頻段天線只用一個(gè)反射面,是解決該矛盾的有效途徑[1]。為滿足星載降水測(cè)量雷達(dá)的測(cè)量精度和測(cè)量效率要求,通常選擇雙頻段的頻率為Ku(13.6 GHz)和Ka(35.5 GHz),且要求雙頻段天線波束需在水平面實(shí)現(xiàn)掃描、在兩個(gè)主面的波束寬度相等和波束指向相同(簡(jiǎn)稱波束匹配)。

1 天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拋物柱反射面天線波瓣設(shè)計(jì)可以分解為獨(dú)立的水平面波瓣設(shè)計(jì)和垂直面波瓣設(shè)計(jì);而水平面波瓣由陣列饋源的波瓣確定,陣列饋源的單元數(shù)、單元間距、饋電幅相可以調(diào)整易于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的水平面波束掃描和波束匹配;但在垂直面上,由于兩個(gè)頻段相差較大時(shí),按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的天線,拋物柱反射面天線兩個(gè)頻段的波束寬度相差較大,不能滿足波束匹配要求,必須采用新的設(shè)計(jì)思想。通過大量的仿真分析和試驗(yàn)表明,要實(shí)現(xiàn)垂直面波束匹配,需要遵循如下設(shè)計(jì)思想：

(1)陣列饋源采用相位中心重合的雙頻段雙極化共孔徑陣列設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)垂直面波束指向匹配;

(2)在饋源陣面設(shè)計(jì)中,雙極化Ku波段垂直面只有主波束照射在反射面上,而Ka波段的主波束和第一副瓣照射在反射面上,以實(shí)現(xiàn)雙頻段雙極化垂直面波束寬度的匹配。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想,本天線是一部雙頻段(Ku&Ka)雙極化(Ku波段HH&HV極化,Ka波段單極化)有源相控陣列饋源偏饋反射面天線,由口徑尺寸為2.4 m×2.4 m的拋物柱反射面天線、偏置雙頻段雙極化Ku/Ka共孔徑饋源陣面[2-3]、160個(gè)Ku波段雙極化T/R組件、128個(gè)Ka波段T/R組件、兩套Ku波段1∶160功分網(wǎng)絡(luò)、一套Ka波段1∶128功分網(wǎng)絡(luò)、Ku波段環(huán)行器、Ka波段環(huán)行器、陣面波控和陣面電源等組成,如圖1所示。其中,雙頻段雙極化共孔徑陣列饋源由160個(gè)雙極化Ku波段2單元線陣和128個(gè)Ka波段4單元線陣組成,在陣列饋源的中間部分由雙極化Ku波段陣與Ka波段陣共孔徑。Ku波段在X方向160個(gè)單元間距為14.2 mm、在Y′方向2個(gè)單元間距為12 mm,Ka波段在X方向128個(gè)單元間距為7.1 mm、在Y′方向4個(gè)單元間距為7 mm;共孔徑饋源陣布局如圖2所示。

圖1 天線系統(tǒng)組成框圖

圖2 共孔徑陣列饋源布局

反射面天線焦軸在X軸上,拋物線方程為y2=4Fz,其中焦距F=840 mm,為減少饋源陣阻擋,向下偏饋100 mm,根據(jù)反射面口徑尺寸可以確定饋源的總照射角為105.39°,為饋源照射時(shí)補(bǔ)償空間衰減影響,最終饋源指向角為71°。圖3給出了反射面截面與饋源位置示意圖。

圖3 反射面截面與饋源位置示意圖

該天線系統(tǒng)在水平面采用有源饋電系統(tǒng),Ku波段在水平面采用-35 dB泰勒分布,Ka波段在水平面采用-37 d B泰勒分布,兩個(gè)頻段能實(shí)現(xiàn)水平面-30 dB副瓣電平、48 dB天線增益指標(biāo),水平面Ku波段掃描范圍為±17°、波瓣寬度為小于0.73°,水平面Ka波段掃描范圍為±10°、波瓣寬度為0.71°,從而可見該雙頻段天線在水平面實(shí)現(xiàn)了十分好的波瓣寬度和波束指向匹配。考慮幅度誤差均方根值為0.4 d B、相位誤差均方根值為4°時(shí),水平面波瓣掃描到最大角度的仿真結(jié)果在圖4中給出。垂直面的半實(shí)物波瓣仿真設(shè)計(jì)結(jié)果在第3節(jié)中敘述。

圖4 水平面最大掃描角波束仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

2 雙頻段雙極化共孔徑饋源陣面設(shè)計(jì)

本文所給出的雙頻段雙極化共孔徑天線陣,巧妙地將Ka波段波導(dǎo)陣與Ku波段雙極化微帶陣天線相結(jié)合,所研制的天線同時(shí)工作于Ku波段和Ka波段,詳細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果參見文獻(xiàn)[4],這里只引用部分結(jié)果。

2.1 陣面布局

為避免兩個(gè)頻段輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)之間的相互遮蔽,增加饋源陣面剛強(qiáng)度,4單元Ka頻段線陣采用波導(dǎo)寬邊開偏置縫諧振陣及整體加工方法,該陣列位于共孔徑陣列的下面一層。Ku波段采用微帶貼片形式[5]置于Ka波段波導(dǎo)裂縫陣的上面,如圖5所示。

圖5 共孔徑饋源陣布局示意

在該共孔徑陣面中,為使Ku波段微帶貼片天線的接地面不對(duì)Ka波段裂縫的輻射形成阻擋,需在微帶天線接地面上與Ka波段裂縫相對(duì)應(yīng)處開相應(yīng)的孔[6]。

2.2 雙頻段雙極化共孔徑饋源陣測(cè)試結(jié)果

所研制的32元雙頻段雙極化共孔徑樣機(jī)實(shí)物照片在圖6中給出,圖7和圖8給出了部分測(cè)試結(jié)果。

圖6 雙頻段雙極化共孔徑饋源陣面照片

圖7 雙頻段雙極化共孔徑天線水平面波瓣實(shí)測(cè)結(jié)果

3 雙頻段雙極化共孔徑饋源偏饋拋物柱反射面天線垂直面波瓣半實(shí)物仿真

圖8 共孔徑饋源陣面垂直面波瓣測(cè)試值

為驗(yàn)證雙頻段雙極化相控陣饋源偏饋拋物柱反射面天線垂直面波束的匹配性,這里采用了半實(shí)物仿真,即把圖8中所給的該共孔徑饋源陣面垂直面波瓣測(cè)試結(jié)果作為饋源的初級(jí)照射波瓣代入到FEKO平臺(tái)反射面天線仿真模型中,得到了較理想的結(jié)果,如圖9所示。仿真結(jié)果表明,Ku波段水平極化垂直面半功率波瓣寬度為0.65°、波束指向?yàn)?0.05°,Ku波段垂直極化垂直面半功率波瓣寬度為0.675°、波束指向?yàn)?0.07°,Ka波段水平極化垂直面半功率波瓣寬度為0.675°、波束指向?yàn)?0.02°,從而達(dá)到了十分好的匹配性。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖9 雙頻段雙極化共孔徑饋源陣偏饋拋物柱反射面天線垂直面波瓣半實(shí)物仿真結(jié)果

本文給出了一種新型Ku/Ka雙頻段雙極化共孔徑相控陣偏饋拋物柱反射面天線設(shè)計(jì)技術(shù),所給出的該天線水平面天線仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該天線兩個(gè)頻段兩個(gè)極化在水平面的波束寬度均為0.73°±0.05°,實(shí)現(xiàn)了完全匹配。且Ku波段雙極化在水平面實(shí)現(xiàn)了±17°掃描、-30 dB副瓣電平指標(biāo),Ka波段在水平面實(shí)現(xiàn)了±10°掃描、-30 dB副瓣電平指標(biāo)。文中簡(jiǎn)述了雙頻段雙極化共孔徑饋源陣面的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果,所給出的在FEKO仿真平臺(tái)上用該共孔徑饋源陣面垂直面測(cè)試方向圖作為拋物線切面照射函數(shù)時(shí)的半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該天線在兩個(gè)頻段兩個(gè)極化垂直面波束寬度為0.66°±0.05°,波束指向?yàn)?0.04°±0.03°,實(shí)現(xiàn)了十分好的匹配性。

[1]RAHMAT-SAMII Y,HUANG J,LOPEZ B,et al.Advanced Precipitation Radar Antenna：Array-Fed Offset Membrane Cylindrical Reflector Antenna[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,2005,53(8)：2503-2515.

[2]JAWORSKI G,MALESZKA T,GRUSZCZYNSKI S,et al.Dual Frequency&Dual-Linear Polarization Integrated Antenna Array for Application in Synthetic Aperture Radar[C]∥7th European Radar Conference,Paris：Institute of Electrical and Electronics Engineers,2010：523-526.

[3]JAWORSKI G,WINCZA K,GRUSZCZYNSKI S.Dual-Polarized Stacked C-Band Antenna Element with Novel Hairpin-Type Contactless Stripline to Stripline Transition in Multilayer Integrated Structure for SAR Applications[C]∥2009 Loughborough Antennas&Propagation Conference,Loughborough：IET,2009：337-340.

[4]張玉梅,李磊,汪偉,等.雙頻段雙極化共孔徑天線陣設(shè)計(jì)[C]∥全國(guó)天線年會(huì)論文集,[出版地不詳]：[出版者不詳],2013：405-409.

[5]孫竹,鐘順時(shí),孔令兵,等.寬帶雙波段雙極化共口徑SAR天線設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào),2012,40(3)：542-547.

[6]盧曉鵬,汪偉,高初.微帶線饋電的寬帶單層貼片天線[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(4)：448-452.LU Xiao-peng,WANG Wei,GAO Chu.Microstrip Line Fed Wideband Single-Layer Patch Antenna[J].Radar Science and Technology,2012,10(4)：448-452.(in Chinese)