低波段大功率超宽带双极化雷达馈源分析

2010-06-28周红峰

舰船电子对抗 2010年4期

关键词：副瓣馈源超宽带

周红峰

(船舶重工集团公司723所,扬州225001)

0 引言

采用抛物面反射体形式的UHF到L波段大功率超宽带双极化雷达天线,其前馈激励馈源的设计非常关键。通常超宽带馈源必然要带来波束宽度的剧烈变化以及相位中心变化,会导致天线系统的效率降低,并难以控制副瓣电平和产生严重的色散。

一般情况下,实现大功率超宽带双极化馈源的方法主要有双极化宽带脊喇叭、双极化对数周期天线等。这几种馈源各自有其特点,下面对这几种馈源进行分析。

1 宽带加脊喇叭馈源

脊喇叭可以看作将双脊结构从波导推广到棱锥喇叭,这样可以增加喇叭许多倍的频带宽度。双线极化四脊喇叭具有双极化、频带宽、相位中心相对稳定等特点,加工可以保证较高的极化隔离度,是宽频带天线可选择的馈源。但其辐射方向图变化大是明显缺点。馈源的辐射方向图变化大,使双线极化四脊喇叭很难保证在超宽带范围内提供相对稳定的天线照射,使天线系统的效率、副瓣等性能比较差。图1为设计的一个四脊喇叭馈源模型,馈源频段范围覆盖UHF到L波段。

图1 双极化四脊喇叭的馈源模型

从实际仿真可得到,在UHF到L波段范围内馈源的辐射角度变化大致范围为40°～110°。实体反射体天线不可能在如此宽的馈源激励波束范围内兼顾到高低波段,所以在全频段内都获得满意的照射效果非常困难,严重影响天线在全频段内的使用。

图2为双极化四脊喇叭的馈源辐射方向图仿真结果。从图中可以看出,在400 MHz和1 500 MHz两频率点,波束变化非常大。

一种改善的解决方案为在反射体上增开透波孔,使高频段的馈源副瓣可以透过反射体,降低天线系统的副瓣;同时在低波段增大发射体面积,增加天线的效率。这种方案可以在一定程度上缓解大功率超宽带馈源波束宽度变化过大的问题,但是馈源的遮挡问题以及天线系统的副瓣电平太高等问题还不能得到有效解决。

图2 双极化四脊喇叭的馈源波束仿真图

2 对数周期天线馈源

对数周期天线是一种逐渐展开的周期性结构阵列,对数周期天线中的偶极子长度随天线递增而保持角度不变,相邻单元的长度和间距的比值也保持不变。采用十字交叉的超宽带对数周期馈源可实现双线极化,优点是频带宽,设计技术成熟,功率容量大,易于调试。对数周期天线的特点是当阵元接近谐振时能最有效辐射,对于任何给定的频率,仅有偶极子长度约为λ/2部分的天线被利用。从对数周期天线的工作机理可知,超宽带对数周期馈源的轴向尺寸大,同时有效工作区随着频率沿天线的轴向单调地移动,因此对数周期天线宽频带工作时不具有确定的相位中心。所以大功率超宽带双极化对数周期天线的缺点是馈源长度长、相位中心随频率变化大,从而造成天线效率降低。

图3是一个十字交叉的大功率超宽带对数周期馈源模型,其频率覆盖范围为UHF到L波段。对数周期天线在很宽的频带内获得近乎恒定的阻抗、方向图和增益值,具有优良的宽频带特性。从图4的方向图仿真结果中可以看出馈源的波束在400 MHz和1 500 MHz的变化明显小于双极化四脊喇叭的馈源。

由于馈源采用的是双线极化对数周期天线,因此2组正交的对数周期天线之间必然会产生耦合,相应地会影响天线的极化隔离;另外2组振子之间的非正交性也对天线的极化隔离产生影响。

图3 十字交叉双线极化对数周期馈源

图4 十字交叉双线极化对数周期天线波束仿真图

对数周期天线轴向相位中心的移动使相位中心不可能保持在抛物面反射体的焦点附近,会在超宽带范围内引起大的色散效应,降低天线系统的效率,降低天线系统的副瓣等指标。以上特点限制了对数周期天线在大功率超宽带双极化馈源方面的应用。

3 低剖面对数周期天线阵馈源

对数周期天线虽然在恒波束、天线增益等方面存在着较大的优势,但是存在超宽频带工作时,天线的纵向尺寸过大,且相位中心随工作频率的变化而移动等不适合于反射面馈源应用的缺点。如果能解决相位中心移动的问题将是比较好的超宽带馈源。

这里采用大张角的对数周期倒置天线单元的天线阵馈源,形成低剖面宽带双极化反射面天线馈源。大张角对数周期天线阵设计缩短了对数周期天线的轴向尺寸,馈源的工作频率在连续变化时,馈源的有效工作区与天线地板的间距电长度保持稳定。因此低剖面宽带双极化天线可以在很宽的频率范围内实现稳定的波束宽度和相位中心,易于实现对反射面的均匀照射。在天线系统设计时,可以减小馈源对天线反射面口径的遮挡,有利于控制副瓣电平。这种馈源形式还具有优良的交叉极化特性,可以获得比较好的极化隔离度。

图5为设计的低剖面对数周期天线阵馈源,其频率范围覆盖 UHF到 L波段。图6为400 MHz和1 500 MHz方向图仿真结果,说明馈源的波束在超宽带范围内变化很小。