Ka/W雙頻共口徑測(cè)云儀天線設(shè)計(jì)

李運(yùn)志，胡衛(wèi)東，金秀梅

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

近年來(lái)，在氣象雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，相比于厘米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)更易于實(shí)現(xiàn)高增益、低旁瓣及較好的角探測(cè)精度和分辨力，更好地分析云層的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。在毫米波波段里，Ka和W這2個(gè)波段傳播衰減較小,是毫米波氣象雷達(dá)最常用的2個(gè)窗口頻段。研究具有Ka與W雙頻段一體化技術(shù)的毫米波氣象雷達(dá)，不僅可利用不同頻率電磁波對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生不同的物理特性，實(shí)現(xiàn)更加豐富的氣象信息的探測(cè)，而且降低了雷達(dá)開(kāi)發(fā)成本，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的利用率[1-6]。作為雷達(dá)的關(guān)鍵部件，研制高隔離、高增益、低副瓣的雙波段雙極化天線已成為研究的熱點(diǎn)[7-10]。

由于卡塞格倫天線具有增益高、低交叉極化和口徑效率高等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域。特別是因其饋線波導(dǎo)較短，可以大大改善饋線損耗，成為在毫米波波段天線設(shè)計(jì)的首選[11-13]。本文采用雙頻段饋源喇叭，通過(guò)共口徑卡塞格倫天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在Ka、W雙波段的高增益、低副瓣、低交叉極化的天線性能。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 性能指標(biāo)

雙頻毫米波測(cè)云儀利用毫米波的高分辨率特性，滿足精細(xì)化探測(cè)，是研究云和降水形成與發(fā)展微物理過(guò)程的理想工具。因此要求天線具有高增益、低副瓣和低交叉極化等特點(diǎn)，其主要指標(biāo)如下：

① 工作頻段：Ka波段 35.01 GHz±200 MHz

W波段 94.58 GHz±500 MHz

② 天線口徑：1.5 m

③ 極化形式：水平、垂直雙極化

④ 天線增益：Ka波段≥50 dBi

W波段≥58 dBi

⑤ 波束寬度：Ka波段≤0.42°

W波段≤0.15°

⑥ 副瓣電平：Ka波段≤-23 dB

W波段≤-20 dB

⑦ 極化隔離：Ka波段≥30 dB

W波段≥25 dB

1.2 天線參數(shù)設(shè)計(jì)

雙頻段雙極化是測(cè)云儀最主要的特點(diǎn)，由于毫米波頻段自身的特點(diǎn)，限制了很多在低頻段可以采取的技術(shù)手段，因此采用共口徑正饋卡塞格倫雙反射面技術(shù)方案，可以大大降低饋電網(wǎng)絡(luò)損耗。

焦徑比的選擇要綜合考慮饋源系統(tǒng)的尺寸、交叉極化分量以及副反射面支撐結(jié)構(gòu)對(duì)天線精度的影響等因素[14-15]。考慮到天線口徑為150λ(35 GHz)左右，因此天線口徑比較大，副面可以選擇Ds/D=0.1，焦徑比F/D=0.3，主反射面相對(duì)焦點(diǎn)的半張角θvm為79.6°選擇θm=45°(饋源相對(duì)副面半張角)，則放大系數(shù)M=2.01，副面雙曲面的離心率e=2.976 588，雙曲面兩焦點(diǎn)之間的距離為f=88.75 mm，天線參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 天線參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of antenna parameters

1.3 饋源喇叭設(shè)計(jì)

饋源喇叭作為反射面天線的核心部件，其性能的好壞直接決定整體天線的性能指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)天線的高增益、低副瓣和低交叉極化等特性，本天線選用同軸嵌套雙頻段波紋喇叭饋源，內(nèi)導(dǎo)體挖空形成圓波導(dǎo)傳輸W波段信號(hào)，而同軸波導(dǎo)則傳輸Ka波段信號(hào)，并且在圓波導(dǎo)輻射端口加載介質(zhì)棒的形式，利用金屬環(huán)加載改善低頻段的匹配特性，最后通過(guò)波紋喇叭和介質(zhì)棒分別控制低頻和高頻的輻射特性。饋源的仿真模型與加工實(shí)物如圖2所示，饋源在Ka、W波段的電性能指標(biāo)的仿真曲線如圖3和圖4所示。

圖2 饋源喇叭模型和加工實(shí)物Fig.2 Feed horn model and real object

圖3 Ka波段饋源喇叭輻射方向圖Fig.3 Radiation pattern of Ka band feed horn

圖4 W波段饋源喇叭輻射方向圖Fig.4 Radiation pattern of W band feed horn

通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和加工測(cè)試，其仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果基本吻合，在Ka、W波段的輻射方向圖具有良好的E面、H面波束一致性，且交叉極化基本達(dá)到-30 dB。

2 天線加工與測(cè)試

在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)上，將天線主反射面、副反射面和饋源通過(guò)臺(tái)階定位的形式進(jìn)行構(gòu)造。首先將輻射器(輻射器包括雙頻饋源、正交模耦合器、饋線波導(dǎo)和套筒)設(shè)計(jì)為一個(gè)套筒的結(jié)構(gòu)安裝形式，套筒的上口設(shè)計(jì)為臺(tái)階定位面安裝饋源，套筒的下口也設(shè)計(jì)為凸臺(tái)法蘭與主反射面焦軸中心的凹臺(tái)階定位面進(jìn)行安裝，套筒的上下2個(gè)定位面則通過(guò)機(jī)床加工保證其同軸度和平行度。副反射面通過(guò)一個(gè)定位支架直接安裝在套筒的上定位面，其與焦軸的同軸度精度則是由饋源的外圓周定位面保證。在天線的整體裝配上采用高精度裝配工裝和攝影測(cè)量相結(jié)合的手段，保證各部件的裝配精度。

為獲得較好的電性能指標(biāo)，要求饋源及副面的偏離對(duì)稱中心線的誤差，各個(gè)方向都小于0.2 mm，饋源沿前后方向可以略做調(diào)整，誤差小于0.2 mm。饋源及副面的偏離法向的角度偏差小于3 min，主副反射面的面精度(即加工誤差均方根值)指標(biāo)為≤0.05 mm。

為驗(yàn)證天線的電性能指標(biāo)，在國(guó)家空間科學(xué)中心太赫茲暗室對(duì)天線進(jìn)行了近場(chǎng)測(cè)試。近場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖5 天線暗室測(cè)試Fig.5 Antenna darkroom test

由圖5可見(jiàn)，測(cè)試端口距離饋源喇叭有一段長(zhǎng)度約350 mm的饋線波導(dǎo)(其損耗值在Ka波段1.16 dB/m，在W波段按照5.45 dB/m估算)。天線在Ka、W波段的典型方向圖如圖6和圖7所示。

圖6 Ka波段天線測(cè)試方向圖Fig.6 Ka band antenna test pattern

圖7 W波段天線測(cè)試方向圖Fig.7 W band antenna test pattern

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，且E面、H面具有良好的波束一致性，天線增益在Ka波段和W波段分別達(dá)到53,60 dBi，副瓣電平基本都在-22 dB以下，交叉極化達(dá)到30,25 dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)測(cè)云儀天線測(cè)試設(shè)計(jì)、加工和實(shí)物測(cè)試對(duì)比，其性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在相關(guān)產(chǎn)品中獲得良好的應(yīng)用。今后需重點(diǎn)關(guān)注W波段的天線加工精度，以進(jìn)一步提升其雷達(dá)整機(jī)性能。