双频段双极化星载降水测量雷达天线设计

方　刚　张玉梅（中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088）



双频段双极化星载降水测量雷达天线设计

方刚*张玉梅
（中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088）

为了解决双频段双极化星载降水测量雷达的波束宽度匹配和波束指向匹配问题，该文提出双频双极化共孔径馈源照射抛物柱反射面天线的方案。共孔径馈源Ku频段采用微带天线，Ka频段采用波导缝隙天线，两者层叠交错排列在一起。实测结果表明，波束宽度匹配指标和波束指向匹配指标与美国国家航空航天局正在研发的第2代星载降水测量雷达的指标相当。相对于第2代星载降水测量雷达天线采用的分置式馈源，该文给出的共孔径馈源具有占用空间小的优点，适用于星载平台。

共孔径天线；星载降水测量雷达；双频段；双极化；抛物柱反射面

1　引言

星载降水测量雷达（Precip itation Radar，PR）天线的发展趋势是双频段双极化［1］。美日联合研制的热带降水测量（tropical rainfallmeasuring m ission）卫星上的PR［2，3］天线工作于单频段单极化，已于1997年开始投入使用。美国已开展的全球测雨任务（globalprecipitationmeasurem ent）中的双频段降水测量雷达（dual-frequency p recipitation radar）天线［4，5］工作于双频段单极化，已于2013年开始投入使用。美国国家航空航天局（National Aeronauticsand Space Adm inistration，NASA）正在研制的第2代星载降水测量雷达（The second generation precipitation radar，PR-2）天线［6］工作于双频段双极化。

双频段双极化星载PR天线可供选择的形式有平面阵列天线［2，4］和反射面天线［6］两种形式。为了获得大的覆盖范围和高的分辨精度，同时又具有低的天线载荷，常采用反射面天线［6，7］。对于采用反射面天线的双频段双极化星载PR，需要解决两个频段两种极化的波束宽度匹配、波束指向匹配问题。这里所说的波束宽度匹配、波束指向匹配是指不同频率不同极化下的波束宽度相等的程度和波束指向一致的程度。NASA下属的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）和加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles）正在研制的PR-2的天线形式是偏馈抛物柱面天线，采用的是分置式馈源［6］，两个频段的馈源形式都是1维喇叭阵。本文给出了一种新的馈源方法［8］，即混合双频段双极化共孔径馈源，低频段馈源采用微带阵，高频段馈源采用波导开槽天线阵。实测结果表明，该共孔径馈源产生的次级波瓣图的波束宽度匹配指标和波束指向匹配指标与NASA研发的PR-2相当。由于馈源采用反相馈电，实测的交叉极化指标也与NASA研发的PR-2相当。此外，相对于分置式馈源，共孔径馈源具有占用空间小的优点，更适用于星载平台。

2　天线系统设计

2.1设计思路

本天线是一部双频段（Ku频段13.6 GHz&Ka频段35.5 GHz）双极化（Ku频段HH&HV极化，Ka频段单极化）反射面天线。首先，给出波束宽度比和波束指向比的定义，用波束宽度比表征波束宽度匹配的程度，用波束指向比表征波束指向匹配的程度。令HPKuH表示Ku频段水平极化的波束宽度，HPKuV表示Ku频段垂直极化的波束宽度，HPKaH表示Ka频段水平极化的波束宽度，Rt_HPKuHV表示Ku频段水平极化和垂直极化的波束宽度比，Rt_HPKuHKaH表示Ku频段水平极化和Ka频段水平极化的波束宽度比，Rt_HPKuVKaH表示Ku频段垂直极化和Ka频段水平极化的波束宽度比，定义

BPKuH表示Ku频段水平极化波束指向，BPKuV表示Ku频段垂直极化波束指向，BPKaH表示Ka频段水平极化波束指向，Rt_BPKuHV表示Ku频段水平极化和垂直极化的波束指向比，Rt_BPKuHKaH表示Ku频段水平极化和Ka频段水平极化的波束指向比，Rt_HPKuVKaH表示Ku频段垂直极化和Ka频段水平极化的波束指向比，定义

由式（1）～式（6）可知，波束宽度比和波束指向比越接近1，表明波束宽度匹配和波束指向匹配越好。在星载降水测量雷达中，好的波束宽度匹配和波束指向向匹配，可以提高雷达的测量精度和测量效率。因此，主要从两个方面进行天线设计：

第一，就是达到好的波束宽度比。众所周知，波束宽度和增益成线性反比，增益的表达式如式（7）所示。

其中，λ表示波长，Ae表示天线有效口径面积。

由于卫星空间受限，同时，从天线折叠展开机构的可靠性角度考虑，星总体要求Ku频段和Ka频段共用一个反射面。因为Ku频段的波长比Ka频段的波长大4.2 dB，所以，为了达到好的波束宽度比，即两个频段的增益应尽量相近，由式（7）可知，Ku频段的天线有效口径面积必须要比Ka频段的天线有效口径面积大8.4 dB，因此，解决思路是Ku频段馈源的主瓣照射到反射面，而Ka频段馈源的主瓣和邻近副瓣照射到反射面，以减少Ka频段整个天线有效口径面积，从而达到两个频段好的波束宽度匹配。

第二，就是达到好的波束指向比。众所周知，反射面天线的波束指向与馈源的放置位置密切相关。对于双频段双极化反射面天线，馈源天线有2种放置方法，一种是分置式，即两个频段的馈源放置在不同位置［5］；另一种是两个频段的馈源采用相位中心重合的共孔径设计。本文采用共孔径方案，原因是：Ka频段馈源天线的副瓣需要照射到反射面上，则Ka频段馈源天线在方位向必定要组成阵列，这样与Ku频段馈源天线的相位中心距离过大，两个频段的次级波瓣图的波束指向偏离会变大，波束指向比会变差，因此，会导致差的波束指向匹配。当采用两个频段的馈源相位中心重合的共孔径设计时，因为相位中心是重合的，所以，所形成的次级波瓣图的波束指向会比较一致。

双频双极化共孔径天线大多数采用同类型天线形成共孔径［912］-，采用不同类型天线形成共孔径［13］的文献相对较少，本文设计思路是波导加微带的混合共孔径，即Ka频段馈源采用波导开槽形式，Ku频段馈源采用微带形式，微带天线放置在波导上面，形成共孔径形式。Ku频段天线单元按极化形式依次错开，放置在Ka频段天线单元之间。没有选用传统的两个频段两种极化都是微带形式的好处是：在Ka频段，采用波导裂缝形式而非微带形式，可以降低加工和组装精度要求，这样既能确保设计的可实现性，Ka频段波导又能做为Ku频段微带天线的结构支撑，省去了Ku微带天线的结构支持。

2.2具体设计

反射面形式众多，有简单抛物面、双弯曲反射面、卡塞格伦天线等。我们选择垂直抛物柱面，即抛物柱面的焦线垂直于方位向。星载降水测量雷达选用垂直抛物柱面具有如下优点：（1）距离向可以实现波束电扫描，能够提高数据率；（2）距离向的波瓣由馈源决定，易于实现距离向波束宽度匹配和波束指向匹配。考虑到副瓣电平、交叉极化，以及平台给天线预留的最大空间为2.4 m（高）×1.2 m（宽）×1 m（深），选用偏馈抛物柱反射面天线，抛物线方程y2=4Fz，焦距F=840 mm，抛物柱面高Dy=2400 mm。

由于距离向的波瓣由馈源决定，易于实现距离向波束宽度匹配和波束指向匹配，所以，本文将着重介绍方位向的波束宽度匹配和波束指向匹配。

首先，假设一组馈源阵列规模，采用解析法计算馈源的阵列方向图。设馈源平面由M N×个天线单元组成，则馈源远场方向图为

其中，mn号单元的激励电流为Imn，方向图函数为位置矢量为把馈源远场方向图（，）Eθφ代入到FEKO软件中，该软件的作用是计算反射面的次级波瓣图。通过计算出来的次级波瓣图可以得出Ku频段水平极化和垂直极化的波束宽度和波束指向，以及Ka频段水平极化的波束宽度和波束指向，再利用式（1）～式（6）进行波束宽度比和波束指向比计算。通过不断修改馈源阵列规模、馈源偏置角和馈源偏置距离，直到找到波束宽度比和波束指向比的最小值为止。

经过计算，得出馈源参数如下：馈源偏置总照射角为105.39°，馈源偏置角为64.19°，馈源偏置距离100h=mm；Ku频段馈源水平极化阵列规模为2个（方位向）×32个（距离向），方位向单元间距为12mm，根据距离向17±°的扫描需求，距离向单元间距为14.2mm；垂直极化为2个（方位向）×32个（距离向），方位向单元间距为12.5mm，根据距离向17±°的扫描需求，距离向单元间距为14.2mm。Ka频段馈源需要主瓣和一个副瓣照射在反射面上，Ka频段馈源阵列规模为4个（方位向）×32个（距离向），方位向单元间距为7mm，根据距离向8.5±°的扫描需求，距离向单元间距为7.1mm。抛物柱反射面2维示意图如图1所示。需要说明的是，距离向的单元数32和距离向的扫描角可以根据距离向波瓣宽度和实际的扫描范围改变，选取这组值是为了和后面的设计值以及测试值一致。

在上述计算过程中，假设单元的方向图函数相同，单元的激励也相同。虽然在方位向两个频段的单元数较少，单元方向图函数相同的假设未必满足，实际的单元激励也未必相同，但是，这些并不影响馈源的详细设计。因为微带馈源和波导缝隙阵馈源是以上面得出的参数作为起始值，再进行馈源天线单元和馈源天线阵列具体参数的设计，然后把包括单元方向图和激励影响的馈源阵列方向图代入到FEKO软件，该软件的作用是计算反射面的次级波瓣图。通过次级波瓣图计算两个频段两种极化下的波束宽度比和波束指向比。下面给出馈源天线设计参数。

图1　抛物柱反射面2维示意图

如前所示，最终的格局是Ku频段微带天线放置在Ka频段波导上面，形成共孔径形式，如图2所示。最上面是微带板，最下面是波导阵列天线，两边的铝板用来支撑微带板。

图2　双频双极化共孔径馈源安装图

Ku频段微带板正面如图3所示，该频段水平极化和垂直极化均采用矩形贴片单元，尺寸分别是6.33 mm×3.60 mm，6.52 mm×3.30mm。微带板背面如图4所示，其中的矩形为腐蚀掉的金属，是为了避开下面的波导辐射缝。外径为0.9mm，内径为0.4mm的圆环是微带天线的馈电部分。

图3　微带板正面

图4　微带板背面

Ka频段波导开槽阵列天线俯视图如图5所示。每根波导上的1，2，3，4表示开的槽，尺寸依次是3.85mm×1.00mm，3.93 mm×1.00mm，3.94mm ×1.00 mm，3.84 mm×1.00 mm，与每根波导纵向对称轴的距离依次是0.37mm，0.83mm，0.83mm，0.33mm。图5中的孔5、孔6和虚线圆分别是Ku频段水平极化、垂直极化和Ka频段波导的馈电孔。

图6是Ka频段波导开槽阵列天线侧视图，该图主要描述了Ka频段和Ku频段馈电连接器的位置关系。

3　实测结果

为了验证设计的有效性，根据前面的设计，加工了一套抛物柱反射面天线和一套共孔径馈源天线，双频双极化共孔径馈源如图7所示。馈源天线的驻波由Agilent N5230A矢量网络分析仪测得，整个天线的方向图在尺寸为26 m（长）×23m（宽）×18 m（高）的近场屏蔽暗室（屏蔽性能优于90 dB-）进行测试。

图5　波导开槽阵列天线俯视图

图7　双频双极化共孔径馈源

图8　 Ku频段馈源端口驻波

图9　 Ka频段馈源端口驻波

图6　波导开槽阵列天线侧视图

首先，对馈源天线的驻波进行测试。两个频段的同轴馈电口加起来共96个，由于篇幅有限，现给出中频驻波测试结果，图8表示Ku频段（13.6GHz）驻波测试结果，图9表示Ka频段（35.5GHz）驻波测试结果。其中，横轴表示馈电端口，纵轴表示驻波值。

由图8和图9可知，两个频段的驻波都不是很好，仿真结果也是这样，带来的问题是增加卫星功率需求。若改善驻波，除了次级波瓣图的波束指向匹配性、波束宽度匹配性急剧恶化，副瓣电平也急剧变差，带来的问题是星载降水测量雷达的某些整机指标会变差。因此，在最终的上星方案时，需要星总体做一个整体的权衡。此外，在后续的工作中，可以试图寻找其他类型的天线单元，在波束指向匹配性、波束宽度匹配性、副瓣电平、天线驻波之间达到一个更好的平衡。

其次，对馈源天线的隔离度进行了测试。因为馈源天线端口比较多，这里只给出馈源最远端天线单元和中间天线单元的隔离度。由表1可知，Ku频段两个极化间的隔离度优于37 dB，而Ku频段与Ka频段间的隔离度优于36 dB。

最后，测试天线次级波瓣图，以验证两个频段两种极化的波束宽度的匹配性和波束指向的匹配性。Ku频段进行了42种波位测试，Ka频段进行了15种波位测试。这里只给出Ku和Ka两种频段中频法线方向的波瓣图，如图10～图12所示。整理其它波位的测试结果，得到的方位向波束宽度和波束指向见表2，交叉极化见表3，方位向波束宽度比和波束指向比见表4。由图10～图12和表2～表4可知，在整个波束扫描范围内（8.5）±°天线波束宽度比为1.295，波束指向比最大值为2.167，交叉极化优于24 dB-。

表1　实测馈源隔离度

图10　 Ku水平极化波瓣图（13.6 GHz）

图11　 Ku垂直极化波瓣图（13.6 GHz）

图12　 Ka水平极化波瓣图（35.5 GHz）

4　结束语

本文给出了一种双频段（Ku&Ka）双极化（Ku频段HH&HV极化，Ka频段单极化）抛物柱反射面天线设计方法。实测结果表明，在整个波束扫描范围内（8.5）±°内，天线波束宽度比最大值为1.295，与NASA公布的1.4［6］相当；天线波束指向比，同频段最大值为1.667，双频段最大值为2.167，与NASA公布的2［6］相当；交叉极化优于-24 dB，与NASA的-25 dB［6］相当。后续工作可以此为基础，进一步优化天线驻波、天线副瓣和交叉极化。我国的星载降水测量事业正处在蓬勃发展期［14，15］，该文提供了一种新的设计思路，希望能对星载降水测量雷达天线的设计起到抛砖引玉的作用。

表2　实测方位向波束宽度和波束指向

表3　实测交叉极化值

表4　方位向波束宽度比和波束指向比

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方刚：男，1979年生，博士，高级工程师，研究方向为微波天线技术、雷达总体设计技术.

张玉梅：女，1961年生，硕士，研究员，研究方向为超低副瓣天线技术、相控阵天线技术、微波系统设计技术.

Design of Dual-band Dual-polarized Spaceborne Precipitation Radar Antenna

FANG Gang ZHANG Yum ei
（The 38th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

In order to achieve thematched beam s goal of the dual-band dual-polarized spaceborne p recipitation radar，the solution that a shared aperture feeding array illum inates the parabolic cylindrical reflector is p roposed. The shared aperture feeding array using ofm icrostrip patches for Ku band and waveguide slots for Ka band is proposed.The interleaved layout is selected to con figurate the shared aperture feeding array.Themeasured results reveal that the beam w idth and the beam point are sim ilarw ith that of the Second Generation Precip itation Radar，which is supported by National Aeronau tics and Space Adm inistration.The second generation precipitation radar antenna isa reflector offset-fed by two separated arrays.The volume of the shared aperture feeding array is smaller than that of two separated arrays，which ismore app licable to the satellites.

Shared aperture antenna；Spaceborne p recipitation radar；Dual-band；Dual-polarization；Parabolic cylindrical reflector

TN957.2

A

1009-5896（2016）08-1977-07

10.11999/JEIT 160016

2016-01-04；改回日期：2016-05-30；网络出版：2016-06-24

方刚fang_gang@126.com