一种弹载毫米波全极化单脉冲环焦反射面天线的设计

张华，翟龙军，高山，曲洪东，3

（1.海军驻兰州地区军事代表室，兰州730070；2.海军航空工程学院a.电子信息工程系；b.科研部，山东烟台264001；3.陆军航空兵学院机载系，北京101123）

一种弹载毫米波全极化单脉冲环焦反射面天线的设计

张华1，翟龙军2a，高山2b，曲洪东2a，3

（1.海军驻兰州地区军事代表室，兰州730070；2.海军航空工程学院a.电子信息工程系；b.科研部，山东烟台264001；3.陆军航空兵学院机载系，北京101123）

提出了一种弹载毫米波全极化环焦反射面天线的设计方案，设计了其结构参数，并对其电性能进行了仿真。仿真结果表明，提出的全极化环焦反射面天线的设计方案电性能参数合理，适用于在弹载环境下应用。

毫米波导引头；环焦天线；单脉冲天线；全极化

全极化天线可以接收任意极化的电磁波，其辐射的圆极化波也能被任意极化的天线接收，因而全极化天线在现有卫星通信系统、雷达通信系统、WLAN通信系统等无线通信系统中被广泛采用[1-3]。在实际应用方面圆极化天线具有以下优势：任意的极化电磁波均可分解为2个旋向相反的圆极化波，如对于线极化波来说，可以分解为2个反向等幅的圆极化波。因此，任意极化的电磁波均可被全极化天线接收，而全极化天线发射的电磁波则可被任意极化的天线接收。

近年来，由于弹载雷达导引头面临的电磁对抗环境越来越严峻，亟待提高抗干扰能力。全极化弹载雷达导引头由于可以发射和接收任意极化的电磁波，进而可以获得单极化雷达所不能获得的极化域信息，提高弹载雷达导引头的抗干扰能力。因此，全极化弹载雷达导引头特别是全极化弹载雷达天线受到了广泛关注。环焦全极化反射面天线由于体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、适于在弹载环境应用等优点而受到了重视[4-7]。

关于变极化天线，国内外资料上介绍的主要是L波段或X波段的变极化天线[8-9]。毫米波段因波长较短，要求加工精度高。由于尺寸小，安装空间有限，要取得成功有较大的难度。单通道的变极化天线功能单一，实现起来较为容易。对于雷达导引头，不仅需要目标的距离，还要精确地知道目标的方位角信息，以便于精确跟踪。单脉冲的变极化天线比单通道的天线难度大很多，需要在设计加工过程中克服和差矛盾，取得最佳的效果[7]。

本文提出了一种弹载毫米波全极化环焦反射面天线的设计方案，设计了其结构参数，并对其电性能进行了仿真。

1 环焦反射面天线原理

环焦反射面天线属于双反射面天线，由3部分组成：主反射体、副反射体和照射器（三喇叭馈源），其中，主反射面为旋转抛物面，副反射面为旋转椭圆，环焦反射面天线的基本原理如图1所示。

图1 环焦天线结构参数示意图Fig.1 Diagram of configuration parameter for ring-focus reflector antenna

图1中：O为馈源的相位中心，是椭圆的一个焦点，它位于环焦天线的对称轴AA′上；BP是主镜的母线，是以O′为焦点的抛物线，又是椭圆的另一个焦点；Dm是主反射面的直径；Ds是副反射面的直径。环焦天线是抛物线BP与副面母线MT所组成的复合体系统绕AA′轴旋转而形成的，因而O′的轨迹为一圆环，故称这种天线为环焦天线。

与其他对称型双反射面天线相比，环焦天线可以大大改善馈源遮挡和馈源端口驻波，且具有结构紧凑的优点，适合中小口径天线（D/λ＜100）。环焦天线既可以单独使用，也可以作为相控阵天线的理想平面波馈电，通过双反射面的方式可以给口径面提供合适的口径场分布函数，大大提高了设计的灵活性。如与卡塞格伦天线相比，环焦天线避免了馈源遮挡大于副面遮挡，在获得较大口径利用系数和较低VSWR的同时，将副瓣降低到一定的程度以及提高圆极化工作的收发隔离度。而对单脉冲环焦天线而言，副面的反转作用，会直接影响差通道的差性能，主要体现在和差矛盾大和归一化差斜率低。

2 弹载毫米波全极化单脉冲环焦反射面天线设计

考虑到天线工作波段为8mm，天线口径受弹径尺寸限制取为φ260mm。

2.1 反射面特性参数计算

2.1.1 副面口径

为了获得较好的近旁瓣性能，通常选择DsDm≈0.1；这里选择DsDm=0.123。由主面口径Dm=260mm，可得副面口径Ds≈32mm。环焦天线主要参数如表1所示。

表1 环焦天线设计输入参数及设计结果Tab.1 Design parameters and design result of ring-focus reflector antenna

2.1.2 副面边缘照射电平

1）确定副面边缘照射电平（即馈源照射电平）。对于中小口径天线，通常选择馈源口径略小于副面口径（本方案中馈源的口径为28mm，而副面口径的尺寸为32mm。），从而可以初步确定出馈源照射电平。

2）主、副面母线特性参数计算。根据抛物线、椭圆的极坐标和笛卡尔坐标定义，可以获得主面母线、副面母线在XO′Z坐标系中的坐标值，如式（1）、（2）。

极坐标系下主面母线方程为：

式（1）中：fm为主反射面母线焦距；θvm如图1所示。

主面母线上任意点极坐标(ρ,θ)与直角坐标(xm,zm)之间转换关系为xm=ρsinθ，zm=ρcosθ。

极坐标系下副面母线方程为：

副面母线上任意点极坐标(ρ,θ)与直角坐标(xs,zs)之间转换关系为：xs=ρsin(θ+θm)，zs=ρcos(θ+θm)。

主、副面母线特性参数的计算结果如表2所示。

表2 主面母线及副面母线的相关特性参数Tab.2 Generatrix parameters of main and secondary reflector

2.2 照射器设计

常用的单脉冲馈源有四喇叭、五喇叭、多喇叭、多模喇叭等几种方式。四喇叭单脉冲馈源和差矛盾较大，五喇叭单脉冲馈源能够使和差的分布比四喇叭好，在单脉冲雷达中有广泛地应用，多喇叭单脉冲馈源也基本基于五喇叭设计，馈电网络较复杂，多模馈源在双线极化条件下较难实现。对环焦天线，特别关心归一化差斜率。通过仔细分析及优化设计可以得到，当用五喇叭形式的单脉冲馈源时，2种双反射面天线的差波束性能能保证基本相同。由于在此单脉冲雷达只需要合成方位差即可，因而照射器选用三喇叭形式的单脉冲馈源即可满足要求。故在此采用能减小天线反射对馈源的影响的三喇叭单脉冲馈源照射环焦天线。

为实现全极化信号的发射和接收，馈源波导采用方波导，同时传输全极化电磁波的水平极化分量和垂直极化分量。在波导馈入端采用极化隔离器，在接收时分离水平极化分量和垂直极化分量，在发射时合成全极化电磁波信号。

3 建模及仿真分析

3.1 照射器建模及仿真分析

在HFSS中建立照射器模型见图2。照射器为三喇叭馈源，中间的喇叭单独形成和支路，左右2个喇叭通过魔T的合成形成差支路。

图2 照射器模型Fig.2 Irradiator model

在HFSS中进行电磁场求解，得到仿真结果如下。

1）和支路。和支路回波损耗曲线如图3所示。和支路驻波曲线如图4所示。由图3和图4可见，大部分频带范围内的输入反射系数S11都比较小（-20 dB左右）；在整个频带内，驻波都小于1.2。和波束的各频点三维方向图和二维方向图分别如图5和图6所示。

图3 和支路的回波损耗曲线Fig.3 Return loss of ∑ channel

图4 和支路的驻波曲线Fig.4 VSWR of ∑ channel

图5 和波束三维方向图Fig.5 3D pattern of sum beam

图6 和波束各频点二维方向图Fig.6 2D patterns of sum beam at different frequency

由图5和图6可见，和支路方向图10 dB波束宽度基本满足西尔弗经验公式

2）差支路。差支路回波损耗曲线如图7所示。和支路驻波曲线见图8。由图7和图8可见，差支路回波损耗在整个频带内反射系数S11在-13.5～-15.5 dB之间，驻波比＜1.6。由图9、图10可见，差波束零深在-27～-29 dB左右。

图7 差支路的回波损耗曲线Fig.7 Return loss of Δ channel

图8 差支路的驻波曲线Fig.8 VSWR of Δ channel

图9 差波束三维方向图Fig.5 3D pattern of differece beam

图10 差波束各频点二维方向图Fig.10 2D patterns of difference beam at different frequency

3.2毫米波全极化环焦单脉冲天线建模及仿真

在HFSS中建立照射器模型如图11所示。

图11 毫米波全极化环焦单脉冲天线模型Fig.11 3D model of ring-focus reflector mono-pulse antenna

在HFSS中进行电磁场求解，得到仿真结果如下。

毫米波全极化环焦单脉冲天线在只有和支路的情况下，输入反射系数S11曲线和驻波分别如图12和图13所示。

由图12和图13可见，在整个频带，大部分频带内的反射系数都非常小；天线的驻波＜1.8，表现出良好的反射特性。

毫米波全极化环焦单脉冲天线的三维方向图、二维方向图和交叉极化分别如图14～16所示。

图12 毫米波全极化环焦单脉冲天线反射系数Fig.12 Reflecttion coefficient of ring-focus reflector mono-pulse antenna

图13 毫米波全极化环焦单脉冲天线驻波比Fig.13 VSWR of ring-focus reflector mono-pulse antenna

图14 毫米波全极化环焦单脉冲天线三维方向图Fig.14 3D pattern of ring-focus reflector mono-pulse antenna

图15 毫米波全极化环焦单脉冲天线各频点二维方向图Fig.15 2D pattern of ring-focus reflector mono-pulse antenna

图16 毫米波全极化环焦单脉冲天线各频点交叉极化Fig.16 Cross polarization of ring-focus reflector mono-pulse antenna at different frequency

由图14～16可见，天线的相对带宽为1.4%，天线工作于34.75GHz时，天线增益为35.24dB，波瓣宽度为2.3°；工作于35.0GHz时，天线增益为34.88dB，波瓣宽度为2.4°；工作于35.25GHz时，天线增益为34.86dB，波瓣宽度为2.5°，均满足设计要求（2.2°±0.3°）。进一步仿真得到表3的结果。

表3 毫米波全极化环焦单脉冲天线仿真结果Tab.3 Simulation results of ring-focus reflector mono-pulse antenna

4 结束语

本文提出了一种弹载毫米波全极化环焦反射面天线的设计方案，设计了其结构参数，并对其电性能进行了仿真。仿真结果表明，本文提出的全极化环焦反射面天线的设计方案电性能参数合理，适用于在弹载环境下应用。弹载毫米波全极化环焦反射面天线的关键在于变极化馈源，环焦天线实现多种变极化在理论上是可行的，但对变极化的馈源形式及变极化器的连接方式存在一定的困难。在实际加工和测试过程中，对8mm波段的微波暗室测试，特别是多种极化方式的测试，还存在着一些问题，难于获得准确的测试结果[10]。故对于变极化天线的测试，除在微波暗室进行远场及近场测试外，还要用传统的方式再进行外场测试，二者相结合，以便得到准确的结果。

[1]钱祖平，刘亭亭，赵菲.缝隙耦合馈电宽带圆极化天线设计[J].电波科学学报，2010，25（4）：739-744. QING ZUPING，LIU TINGTING，ZHAO FEI.Design of aperture coupled wide-band circulary polarized antenna [J].Chinese Journal of Radio Science，2010，25（4）：739-744.（in Chinese）

[2]杨小龙.一种实用新型宽波束圆极化天线[J].微波学报，2010，26（S1）：198-200. YANG XIAOLONG.A Practical and novel circulary polarized antenna with broad beam[J].Journal of Microwave，2010，26（S1）：198-200.（in Chinese）

[3]刘文华，束咸荣.X波段圆极化雷达天线研制[J].现代雷达，2009，31（8）：62-65. LIU WENHUA，SHU XIANRONG.Development of an X band circular polarized antenna for radar[J].Modern Radar，2009，31（8）：62-65.（in Chinese）

[4]王真，吴翔.大张角波纹喇叭在环焦反射面天线中的应用[J].微波学报，2010，26（S1）：149-151. WANG ZHEN，WU XIANG.Application of wide flare angle corrugated horn in the ring-focus reflector antenna[J]. Journal of Microwave，2010，26（S1）：149-151.（in Chinese）

[5]林岩.环焦抛物面天线与点馈源[J].现代雷达，2004，26（3）：64-67. LIN YAN.Ring focus paraboloid antenna fed by point feeds[J].Modern Radar，2004，26（3）：64-67.（in Chinese）

[6]路志勇，杨可忠，杜彪.椭圆波束变焦距环焦天线的设计方法[J].电波科学学报，2003，18（1）：7-11. LU ZHIYONG，YANG KEZHONG，DU BIAO.Design method of the ring-focus antenna with a variable focal distance for forming and elliptic beam[J].Chinese Journal of Radio Science，2003，18（1）：7-11.（in Chinese）

[7]程臻，吕善伟，姜新发.单脉冲环焦天线和差一体化设计[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）：12-15. CHENG ZHEN，LV SHANWEI，JIANG XINFA.Sum-Difference unified designed of mono-pulse ring-focus antenna[J].Journal of Beijing University of Aeronautics andAstronautics，2001，27（1）：12-15.（in Chinese）

[8]李圭源，张原，吴文洲，等.变极化抗干扰效能分析[J].系统工程与电子技术，2010，32（9）：1833-1836. LI GUIYUAN，ZHANG YUAN，WU WENZHOU，et al. Anti-jamming effectiveness analysis of changing polarization technique[J].Systems Engineering and Electronics，2010，32（9）：1833-1836.（in Chinese）

[9]钟顺时，杨雪霞，高式昌.一种新型极化捷变有源微带天线阵[J].电子学报，2001，29（6）：782-784，787. ZHONGSHUNSHI，YANGXUEXIA，GAOSHICHANG.A novel polarization agile active microstrip antenna array[J].Journal of Electronics，2001，29（6）：782-784，787.（in Chinese）

[10]程臻，吕善伟，姜新发.变极化单脉冲环焦天线分析与实验[J].电子学报，2000，28（9）：31-33. CHENG ZHEN，LV SHANWEI，JIANG XINFA.Analysis and experiment of mono-pulse ring-focus antenna with arbitrary polarization[J].Journal of Electronics， 2000，28（9）：31-33.（in Chinese）

Design of A Novel Ring-Focus Reflector Single Pulse Warhead With Full-Polarization for MMW Radar Seeker

ZHANG Hua1,ZHAI Long-jun2a,GAO Shan2b,QU Hong-dong2a,3
（1.Military Representatives Office of Navy in Lanzhou,Lanzhou 730070,China; 2.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Electronic and Information Engineering；b.Department of Scientific Research,Yantai Shandong 264001,China; 3.Department of Airborne Weapon,Army Aviation Academy,Beijing 101123,China）

A novel design scheme of ring-focus reflector single pulse warhead with full-polarization for MMW radar seeker was presented.The physical parameters of the warhead were calculated and its electrical performance was simulated and analyzed.Simulation results showed that the warhead had appropriate performance and could be used in MMW radar seek⁃er.

MMW radar seeker;ring-focus reflector antenna;single pulse warhead;full-polarization

TN823.27；TP271.62

A

1673-1522（2014）05-0429-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.05.007

2014-06-01；

2014-07-28作者简介：张华（1977-），男，工程师，大学。