双频段双极化共孔径阵列馈源反射面天线设计∗

张玉梅,张立新,李 磊

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

在大气科学、海洋科学和环境科学的研究中,降水量是个非常重要的物理量。全球降水分布及其垂直结构的测量是当前全球环境气候变化研究中的关键性薄弱环节,降水量的精确测量对进行气象灾害预报、减灾防灾和安排工农业生产等各项工作都具有重要意义。

与其他被动手段(如可见光、红外、微波辐射计等星载传感器)相比,双频段双极化星载降水测量雷达具有以下优势：能实现全球不间断测量;能提供与地面或海面背景辐射无关的降雨估计,因此能在被动传感器不能正确估计降雨率的区域测量降雨;能测量暴风雨垂直结构的数据,对估计潜在的热剖面和各种不同的大气科学研究很重要;提供的暴风雨结构和降雨特性可用于订正被动降雨测量数据的准确性。

星载降水测量雷达的发展趋势是双频段双极化一维有源相控阵雷达。由于平台自身尺寸和运载能力的限制,要求配装在其上的雷达天线体积重量尽量小。但雷达天线本身的波瓣宽度、增益、副瓣电平等指标使得反射面天线的尺寸不能小,这就构成了较大的矛盾。双频段阵列馈源共抛物柱反射面天线设计技术使得双频段天线只用一个反射面,是解决该矛盾的有效途径[1]。为满足星载降水测量雷达的测量精度和测量效率要求,通常选择双频段的频率为Ku(13.6 GHz)和Ka(35.5 GHz),且要求双频段天线波束需在水平面实现扫描、在两个主面的波束宽度相等和波束指向相同(简称波束匹配)。

1 天线系统设计

抛物柱反射面天线波瓣设计可以分解为独立的水平面波瓣设计和垂直面波瓣设计;而水平面波瓣由阵列馈源的波瓣确定,阵列馈源的单元数、单元间距、馈电幅相可以调整易于实现两个频段的水平面波束扫描和波束匹配;但在垂直面上,由于两个频段相差较大时,按常规方法设计的天线,抛物柱反射面天线两个频段的波束宽度相差较大,不能满足波束匹配要求,必须采用新的设计思想。通过大量的仿真分析和试验表明,要实现垂直面波束匹配,需要遵循如下设计思想：

(1)阵列馈源采用相位中心重合的双频段双极化共孔径阵列设计,实现垂直面波束指向匹配;

(2)在馈源阵面设计中,双极化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,以实现双频段双极化垂直面波束宽度的匹配。

根据上述设计思想,本天线是一部双频段(Ku&Ka)双极化(Ku波段HH&HV极化,Ka波段单极化)有源相控阵列馈源偏馈反射面天线,由口径尺寸为2.4 m×2.4 m的抛物柱反射面天线、偏置双频段双极化Ku/Ka共孔径馈源阵面[2-3]、160个Ku波段双极化T/R组件、128个Ka波段T/R组件、两套Ku波段1∶160功分网络、一套Ka波段1∶128功分网络、Ku波段环行器、Ka波段环行器、阵面波控和阵面电源等组成,如图1所示。其中,双频段双极化共孔径阵列馈源由160个双极化Ku波段2单元线阵和128个Ka波段4单元线阵组成,在阵列馈源的中间部分由双极化Ku波段阵与Ka波段阵共孔径。Ku波段在X方向160个单元间距为14.2 mm、在Y′方向2个单元间距为12 mm,Ka波段在X方向128个单元间距为7.1 mm、在Y′方向4个单元间距为7 mm;共孔径馈源阵布局如图2所示。

图1 天线系统组成框图

图2 共孔径阵列馈源布局

反射面天线焦轴在X轴上,抛物线方程为y2=4Fz,其中焦距F=840 mm,为减少馈源阵阻挡,向下偏馈100 mm,根据反射面口径尺寸可以确定馈源的总照射角为105.39°,为馈源照射时补偿空间衰减影响,最终馈源指向角为71°。图3给出了反射面截面与馈源位置示意图。

图3 反射面截面与馈源位置示意图

该天线系统在水平面采用有源馈电系统,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,两个频段能实现水平面-30 dB副瓣电平、48 dB天线增益指标,水平面Ku波段扫描范围为±17°、波瓣宽度为小于0.73°,水平面Ka波段扫描范围为±10°、波瓣宽度为0.71°,从而可见该双频段天线在水平面实现了十分好的波瓣宽度和波束指向匹配。考虑幅度误差均方根值为0.4 d B、相位误差均方根值为4°时,水平面波瓣扫描到最大角度的仿真结果在图4中给出。垂直面的半实物波瓣仿真设计结果在第3节中叙述。

图4 水平面最大扫描角波束仿真设计结果

2 双频段双极化共孔径馈源阵面设计

本文所给出的双频段双极化共孔径天线阵,巧妙地将Ka波段波导阵与Ku波段双极化微带阵天线相结合,所研制的天线同时工作于Ku波段和Ka波段,详细设计和测试结果参见文献[4],这里只引用部分结果。

2.1 阵面布局

为避免两个频段辐射单元、馈电网络之间的相互遮蔽,增加馈源阵面刚强度,4单元Ka频段线阵采用波导宽边开偏置缝谐振阵及整体加工方法,该阵列位于共孔径阵列的下面一层。Ku波段采用微带贴片形式[5]置于Ka波段波导裂缝阵的上面,如图5所示。

图5 共孔径馈源阵布局示意

在该共孔径阵面中,为使Ku波段微带贴片天线的接地面不对Ka波段裂缝的辐射形成阻挡,需在微带天线接地面上与Ka波段裂缝相对应处开相应的孔[6]。

2.2 双频段双极化共孔径馈源阵测试结果

所研制的32元双频段双极化共孔径样机实物照片在图6中给出,图7和图8给出了部分测试结果。

图6 双频段双极化共孔径馈源阵面照片

图7 双频段双极化共孔径天线水平面波瓣实测结果

3 双频段双极化共孔径馈源偏馈抛物柱反射面天线垂直面波瓣半实物仿真

图8 共孔径馈源阵面垂直面波瓣测试值

为验证双频段双极化相控阵馈源偏馈抛物柱反射面天线垂直面波束的匹配性,这里采用了半实物仿真,即把图8中所给的该共孔径馈源阵面垂直面波瓣测试结果作为馈源的初级照射波瓣代入到FEKO平台反射面天线仿真模型中,得到了较理想的结果,如图9所示。仿真结果表明,Ku波段水平极化垂直面半功率波瓣宽度为0.65°、波束指向为-0.05°,Ku波段垂直极化垂直面半功率波瓣宽度为0.675°、波束指向为-0.07°,Ka波段水平极化垂直面半功率波瓣宽度为0.675°、波束指向为-0.02°,从而达到了十分好的匹配性。

4 结束语

图9 双频段双极化共孔径馈源阵偏馈抛物柱反射面天线垂直面波瓣半实物仿真结果

本文给出了一种新型Ku/Ka双频段双极化共孔径相控阵偏馈抛物柱反射面天线设计技术,所给出的该天线水平面天线仿真设计结果表明,该天线两个频段两个极化在水平面的波束宽度均为0.73°±0.05°,实现了完全匹配。且Ku波段双极化在水平面实现了±17°扫描、-30 dB副瓣电平指标,Ka波段在水平面实现了±10°扫描、-30 dB副瓣电平指标。文中简述了双频段双极化共孔径馈源阵面的设计和测试结果,所给出的在FEKO仿真平台上用该共孔径馈源阵面垂直面测试方向图作为抛物线切面照射函数时的半实物仿真设计结果表明,该天线在两个频段两个极化垂直面波束宽度为0.66°±0.05°,波束指向为-0.04°±0.03°,实现了十分好的匹配性。

[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]张玉梅,李磊,汪伟,等.双频段双极化共孔径天线阵设计[C]∥全国天线年会论文集,[出版地不详]：[出版者不详],2013：405-409.

[5]孙竹,钟顺时,孔令兵,等.宽带双波段双极化共口径SAR天线设计[J].电子学报,2012,40(3)：542-547.

[6]卢晓鹏,汪伟,高初.微带线馈电的宽带单层贴片天线[J].雷达科学与技术,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)