一种双极化收发分离的波束波导馈电网络

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(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.北京航空航天大学电子信息工程学院， 北京 100191；3.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室， 安徽合肥 230088)

0 引言

毫米波在深空探测、气象测量和卫星遥感领域得到广泛应用，而常见的毫米波波导、波导耦合器、环行器和波导开关等器件损耗较大，不利于毫米波馈电传输[1-4]。波束波导传输毫米波具有损耗低、频带宽、易维护等诸多优点。因此，采用波束波导馈电体制的馈电网络具备明显优势。谷胜明等设计了一种双抛物面馈电的偏置卡塞格仑天线[5]；石俊峰等设计了一种波束波导馈电系统的反射面天线，该馈电系统由7个单向传输反射镜组成[6]；段玉虎分析了波束波导馈电系统在深空探测天线应用中的关键技术问题[7]；潘高峰等设计了一种3频段波束波导馈电的卡塞格仑天线，并提供了各器件的设计思路和参数[8]。上述波束波导馈电系统均是单极化单向传输的波束波导馈电系统，难以实现双极化发射/接收、收发分离的功能。同时，具备上述功能的波束波导馈电系统鲜有报道。为了满足雷达系统对多功能波束波导馈电网络的应用需求，本文引入法拉第旋转器，结合极化栅、平面镜、曲面镜设计了一种双极化、收发分离的波束波导馈电网络。

1 波束波导馈电网络工作原理

设计的双极化收发分离的波束波导馈电网络由馈源、平面反射镜、曲面镜、极化栅、法拉第旋转器及天线副反射面组成，如图1所示。

图1 波束波导馈电网络原理图

该馈电网络分垂直极化发射/接收通道和水平极化发射/接收通道两个部分，它们共用同一极化栅，馈电到天线副反射面。为了提高发射机可靠性，设置有备用发射机。

波束波导馈电网络中的平面镜用于改变波束传输方向，曲面镜不仅可改变波束传输方向还能调节出射波束形状。极化栅是一种极化选择性金属线栅，对极化方向垂直于线栅朝向的极化波几乎完全透过，对极化方向平行于线栅朝向的极化波则表现出强反射。法拉第旋转器是由磁性材料制成的微波器件，通过其线性极化波极化方向会偏转一定角度。此处使用的法拉第旋转器在对应频段极化偏转角为45°。

波束波导馈电网络工作原理如下：

1) 水平极化发射：发射机H发射45°线性极化波(设定电场水平向右为0°，顺时针为负，逆时针为正)。波束由反射镜改变方向透过-45°极化栅，接着通过45°法拉第旋转器，极化方向顺时针旋转45°成为0°的水平极化波，然后透过90°极化栅到达天线副反射面。

2) 水平极化接收：回波经天线副反射面到达90°极化栅，其中，水平极化分量通过90°极化栅进入水平接收通道，通过45°法拉第旋转器后，极化方向顺时针旋转45°成为-45°线性极化波，经过-45°极化栅，反射至H极化接收机。

3) 垂直极化发射/接收：与水平极化发射/接收原理相同。区别是发射机V发射的是-45°线性极化波。借助极化栅和法拉第旋转器，实现了共用副反射面和收发分离。

2 馈电网络设计

基于图1波束波导馈电网络示意图，采用平面镜，椭球镜、极化栅、法拉第旋转器、双曲面镜设计了W波段双极化收发分离的波束波导馈电网络。该馈电网络及各器件相对位置关系如图2所示。

图2 波束波导馈电网络示意图

图2中，Feed_ht,Feed_hr,Feed_vt,Feed_vr分别为水平极化发射馈源、水平极化接收馈源、垂直极化发射馈源、垂直极化接收馈源；m_h,m_v为平面镜。r_ht,r_hr,r_vt,r_vr为椭球镜；bs_v,bs_h,bs为极化栅；load,load_h,load_v为吸波尖劈；rg为椭球镜，rg_2为双曲面镜，二者作为天线副反射面可灵活调节馈电网络出射波束形状。法拉第旋转器只改变波束极化方向，不改变波束传输方向和形状，加之其为磁性材料，在馈电系统仿真时未引入该器件。

馈电网络包含4个传输通道：

1) 水平极化发射：Feed_ht→m_h→r_ht→bs_h→bs→rg→rg2；

2) 水平极化接收：rg2→rg→bs→bs_h→r_hr→Feed_hr；

3) 垂直极化发射：Feed_vt→m_v→r_vt→bs_v→bs→rg→rg2；

4) 垂直极化接收：rg2→rg→bs→bs_v→r_vr→Feed_vr。

图2给出了水平极化接收通道波束传输路径，图中方形栅格对应单元间距为20 mm，由此可以确定各器件之间的相对位置关系。

采用物理光学法，结合高斯波束理论，以反射镜边缘电平-20 dB为设计条件，确定了各器件的尺寸参数。馈源采用双模圆锥喇叭，4个馈源喇叭完全相同，工作频率为94.05 GHz，出射波束束腰半径为4.5 mm。平面镜m_h,m_v为方形金属平面反射镜，边长均为30.6 mm。椭球镜r_ht,r_hr,r_vt,r_vr是在同一椭球上截取的反射面，该椭球焦距为355.20 mm，入射点距离椭球两焦点的距离分别为123.32 mm,333.10 mm，椭球镜孔径长度为137.60 mm。椭球镜rg所在椭球的焦距为301.86 mm，入射点距离椭球两焦点的距离分别为135.00 mm,270.00 mm，椭球镜孔径长度为61.72 mm。双曲线面镜rg_2所在双曲线焦距为157.17 mm，入射点距离两焦点的距离分别为138.59 mm,34.65 mm，双曲面镜孔径长度为55.58 mm。极化栅bs,bs_v,bs_h均为方形，线栅的直径为0.1 mm，线栅间距为0.3 mm，极化栅边长依次为35.6 mm,55.0 mm,55.0 mm。吸波尖劈load,load_h,load_v均为正方形结构，其边长分别为34.7 mm,40.2 mm,40.2 mm。两个法拉第旋转器均为正方形，边长为60 mm，放置在极化栅bs,bs_v和bs,bs_h中间。馈电网络仿真模型如图3所示。

图3 馈电网络仿真模型

3 结果分析

3.1 仿真结果分析

基于互易原理，接收通道验证通过分析其发射状态来替代。94.05 GHz时，波束波导网络发射水平极化波、接收水平极化波、发射垂直极化波、接收垂直极化波仿真结果如图4～7所示。

(a)主极化和交叉极化波瓣图

(b)UV空间幅度分布

(c)UV空间相位分布图4发射水平极化波结果

(a)主极化和交叉极化波瓣图

(b)UV空间幅度分布

(c)UV空间相位分布图5接收水平极化波结果

(a)主极化和交叉极化波瓣图

(b)UV空间幅度分布

(c)UV空间相位分布图6发射垂直极化波结果

(a)主极化和交叉极化波瓣图

(b)UV空间幅度分布

(c)UV空间相位分布图7接收垂直极化波结果

为了满足照射到大型反射面天线的馈电要求，波束波导馈电网络出射波束设计目标为-10 dB，照射电平波束宽度为50°，与对应指标的理想高斯馈源比较结果如表1所示。理想高斯馈源出射波束是旋转对称的，其水平极化与垂直极化状态波束特性一致。

表1 4个通道出射波束与理想高斯馈源比较结果

由仿真结果得知，波束波导出射的波束与理想高斯波束相似度很高，4个通道的波束外形十分接近，与理想高斯馈源相比，增益约减小0.5 dB，-10 dB照射电平波束宽度相差±1°，UV空间出射波束的幅度和相位特性良好，具备良好的电磁传输性能。

3.2 插入损耗分析

对于波束波导馈电网络，其最大优势在于通道传输损耗低、受传输距离影响小。加工的波束波导馈电网络如图8所示，该馈电网络包含法拉第旋转器，波束波导馈电网络使用工装安装固定在平整金属底板上，并确保各器件波束传输主轴在同一平面上。

采用功率比较法测试馈电网络的传输损耗，分别采集馈源喇叭和波束波导馈电网络平面近场分布，计算出相应的总功率，波束波导馈电网络出射总功率比馈源喇叭出射总功率即为波束波导馈电网络对应通道的传输损耗。

图8 波束波导馈电网络实物图

测试4个通道的传输损耗如表2所示，测试频带为93～95 GHz。

表2 4个通道传输损耗测试结果

波束波导馈电网络主要损耗来源于法拉第旋转器，该器件包含铁氧体材料，具有一定的磁损耗。另外，因为铁氧体材料介电常数较高，不利于传输阻抗匹配，存在失配损耗。反射镜、极化栅均为金属材料，损耗很小。

由表2可知，各通道损耗均小于2 dB，与传统波导体制的馈电网络相比，损耗要小得多。例如，WR-10波导在W波段的损耗为3.3 dB/m。

4 结束语

波束波导馈电网络传输损耗与传输距离不成比例关系，非常适合远距离电磁传输。波束波导馈电网络具有传输损耗低的优点，特别适合作为X至W波段反射面天线的馈电系统。本文设计的双极化收发分离波束波导馈电网络，集成了垂直极化发射/接收和水平极化发射/接收四个通道，具备共用反射面天线和收发分离的功能，可作为雷达馈电系统。该馈电网络出射波束一致性好、传输损耗低，具备较高的工程应用价值。

[1] MIZUSAWA M, KITSUREGAWA T. A Beam-Waveguide Feed Having a Symmetric Beam for Cassegrain Antennas[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1973, 21(6):319-322.

[2] NOSICH A A, GANDEL Y V, MAGATH T, et al. Numerical Analysis and Synthesis of 2-D

Quasi-Optical Reflectors and Beam Waveguides Based on an Integral-Equation Approach with Nystrom’s Discretization[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2007, 24(9):2831-2836.

[3] 钱军,牛忠文. 机载毫米波测云雷达吊舱关键技术研究[J]. 雷达科学与技术, 2014, 12(2):206-213.

[4] 苏涛,高仲辉,黄兴玉. 94 GHz机载测云雷达总体技术研究[J]. 雷达科学与技术, 2013, 11(6):574-577.

[5] 谷胜明,刘昊,张凤林,等. W波段波束波导天线系统的设计[J]. 遥测遥控, 2009, 30(5):49-53.

[6] 石俊峰,马汉清,赵交成. 波束波导传输系统与天线设计[J]. 火控雷达技术, 2012, 41(1):67-71.

[7] 段玉虎. 波束波导馈电系统在深空探测天线应用中的关键技术研究[J]. 飞行器测控学报, 2014, 33(3):231-235.

[8] 潘高峰,毛南平,丁冉. 三频段波束波导天线系统的设计[J]. 遥测遥控, 2013, 34(5):10-14.