一種雙極化倒卡天線的設計與應用

趙宏亮

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

為了提高雷達的抗干擾能力，改善現役低分辨率雷達抗干擾能力低的缺陷，通過將現有雷達進行雙極化改進以增加雷達對目標極化域特征的提取，完善雷達在現有體制情況下的目標識別功能，增強雷達對目標的識別能力和對抗角反射體的能力，提高雷達對抗箔條干擾和有源干擾的能力。

2 設計目標

為了提高雷達抗干擾能力，在現有單極化倒卡天線基礎上提出雙極化倒卡天線技術（要求對抗干擾成功率大于80%以上）。雙極化倒卡天線可以在水平極化和垂直極化域連續變極化，通過改變極化方式來應對不同樣式的干擾，增強雷達導引頭目標檢測、目標識別、抗干擾、反輻射、反隱身等能力，提高導彈在復雜電磁環境下的的突防能力；使用目標的極化信息，為雷達識別岸艦提供新的途徑，具有非常大的潛在市場需求。

雙極化倒卡天線為適應變極化的特點，并且保留倒卡天線技術的成熟性和對現有雷達改動最小。要求雙極化倒卡天線，上下布局，即上下各是一部完整的天線系統，由各自的主、副反射體和饋源構成。對現有雷達天線改進后天線增益損失很小，副瓣變化小，天線方向圖、波束寬度等指標可以維持在原有水平。

3 雙極化倒卡天線技術及設計

3.1 雙極化倒卡天線技術

倒卡天線是反射面天線的一種，主反射面和副反射面采用特殊材料敷以金屬絲和金屬網制成，它將入射于反射面上的電磁波按設計進行反射（如圖1所示）。

雙極化倒卡天線技術是把兩個倒卡天線通過合理的結構設計巧妙地組合在一起，而且兩個倒卡天線的極化方向相互垂直正交，完成天線結構和電性能的一體化設計。

3.2 雙極化倒卡天線組成

雙極化倒卡天線是在單極化倒卡天線的基礎上研制而成的新型天線形式。極化方式為水平極化和垂直極化，上天線為垂直極化天線，下天線為水平極化天線。

雙極化倒卡天線由主反射體 （共用極化扭轉板）、副反射體（兩組拋物面）、水平饋源、垂直饋源、天線底座等組成。

3.3 雙極化倒卡天線副反射體設計

1）雙極化倒卡天線口徑計算，確定拋物面直徑D0。根據總體給定天線增益G值，計算拋物面直徑D0可按下式：

2）雙極化倒卡天線主反射面直徑D1的確定（如圖2所示）。假定總體要求主反射面的搜索電角為±2θ，根據圖1的幾何關系可推導出搜索機械角為搜索電角的1/2，即搜索機械角為±θ。

圖1 倒卡天線原理示意圖

圖2 雙極化倒卡天線口徑計算示意圖

主反射面的直徑D1理論計算如下：

從上式可得知主反射面的直徑較天線口徑大，但在實際工程應用中，為減少繞射效應及后向輻射，主反射面的實際直徑比理論計算值稍大。根據工作經驗一般取 D1=D0/COSθ+（6～15mm）。

3）雙極化倒卡天線拋物面焦距f的確定。由拋物面的焦距與口徑之比f/D0=i得f=i×D0(i=0.25～0.5)；根據多年實際工作經驗，倒卡天線i取（0.35～0.45）。

4)雙極化倒卡天線副反射體設計。(1)根據天線口徑和焦距的確定，由拋物線方程X2+Y2=4fZ可得曲面方程。雙極化倒卡天線副反射面由拋物線X2=4fZ旋轉而成。（2）材料選用重量輕、剛性好、強度高、透波率高的六角蜂窩，正六邊形邊長根據工作經驗推薦優先選取：Ka波為3mm；Ku波為3.67mm；X波為5mm等。（3）拋物面中間夾襯厚度的確定。如果三層結構的兩個表皮層的相對介電常數與厚度分別是εs、ds，夾心的相對介電常數是 εc，拋物面中間夾襯厚度就是：

（4）副反射面的布線（金屬絲）：拋物面內表面嵌有波長是密間距（S=λ/8～λ/10）的金屬導線。 （5）根據以上數據，設計出雙極化倒卡天線副反射體結構（如圖3所示）。

圖3 雙極化倒卡天線副反射體圖

3.4 雙極化天線主反射面的設計

1）材料選用。雙極化倒卡天線主反射體選用重量輕、剛性好、強度高、透波率高的六角蜂窩材料。

2）雙極化倒卡天線主反射體（極化扭轉板）理論。當極化扭轉板前表皮層中的平行導線（金屬絲）成45°嵌入時，入射波就被分解為與金屬導線平行和垂直的兩個等幅正交分量。入射于極化扭轉板的電場強度矢量E入可分解為兩個分量，分量E∥平行于金屬導線被柵網反射；而分量E⊥卻透過柵網繼續向前傳播，直到被金屬銅網反射而又回到柵網面處。柵網與金屬銅網的距離為λ/4。E⊥反與E⊥一去一來相位滯后180°，方向發生反轉，E⊥反與E∥合成E反，E反比E入扭轉了90°，電波極化由垂直極化變成了水平極化（如圖4所示）。

3）根據以上理論設計出雙極化倒卡天線主反射面（如圖5所示）。

圖4 雙極化倒卡天線主反射體原理圖

圖5 雙極化倒卡天線主反射體圖

3.5 雙極化倒卡天線主要技術指標

雙極化倒卡天線設計完全滿足雷達天線電性能要求，滿足雷達的搜索、跟蹤要求，滿足導彈在各種惡劣環境情況下的正常飛行和突防攻擊。

4 雙極化倒卡天線的先進性

經過多次飛行試驗，雙極化倒卡天線雷達對抗箔條干擾的成功率從50%提高到90%以上，對抗角反射體的成功率從40%左右提高到80%以上。驗證和突出了雙極化倒卡天線在目標檢測能力、抗干擾能力、目標識別能力等方面的先進性。

5 結論

雙極化倒卡天線設計新穎、技術成熟、制造工藝穩定、性價比高、經濟效益良好，是目前國內先進的雷達天線技術之一，值得推廣使用。