C/S双频段馈源设计与仿真∗

2018-03-23石一鸣张梦堃

舰船电子工程 2018年2期

石一鸣张梦堃

（91550部队大连 116023）

1 引言

双频共面天线的形式主要有两种：一种方式是双反射面天线的副面采用频率选择表面，馈源为独立的两个馈源，一个为前置馈源，一个为后置馈源。这种方式可以分别优化两个馈源，使性能达到最优，它的设计关键是频率选择表面。另外一种实现方式是馈源为双频段后置馈源，共用主、副反射面。这种方式的天线结构尺寸比较紧凑，天线纵向尺寸小，利于车载运输设计［1～2］。

根据本雷达中两个频段的使用需求，C波段为高功率高精度测量单脉冲天线，S波段为遥测单脉冲天线，其中S波段天线需要较宽的波束宽度，采用双频段馈源的方式，把S波段馈源设计在C波段馈源四周，使S波段馈源波束变窄，更有利于S波段天线展宽波束宽度，同时整个天线的结构尺寸紧凑［3］。

2 C/S双频段馈源设计

2.1 反射面形式的选择

天线为实现C、S波段共面，采用C、S双波段馈源共用卡塞格伦天线的方式。卡式天线主反射面直径：D=3600mm；副反射面直径：d=546mm。天线焦径比的选择综合考虑到电气性能和结构运输、起竖、转动要求等因素，选择f/D=0.32。馈源的照射半张角的选取是一个在各种指标之间反复折中的过程，张角太小，会使馈源能量泄露，降低天线效率；张角太大，会拉近馈源到副面的距离，造成馈源的匹配性能变差，也会影响天线的总体性能。本天线是单脉冲体制，要照顾到和、差最佳照射，选取的照射半张角φm=20°。

2.2 C波段馈源设计

单脉冲馈源是天线设计的核心，常用的单脉冲馈源有四喇叭、五喇叭、多模喇叭等几种方式。

四喇叭单脉冲馈源较容易实现，但是馈源的和差矛盾较大，且馈源的差方向图截获效率低，造成天线的差性能较差。

五喇叭单脉冲馈源和差分开，馈电网络简单，是常用的单脉冲馈源形式之一。五喇叭单脉冲馈源一般照射角取在差方向图的第一个零点，此时和方向图照射电平5dB～6dB，天线漏损较多，所以天线效率低一些。

多模喇叭馈源通过调节模比，在使和方向图达到最佳时，能够照顾差方向图性能，能够较好地解决和差矛盾。多模馈源设计时，馈源的方向图副瓣电平要尽可能低、照射方向图尽量做到旋转对称、圆极化轴比要好、和差兼顾设计，从而提高和、差的截获效率［4～5］。

根据天线的增益、和差性能的要求，综合比较后多模单脉冲馈源性能较好，本天线采用C波段多模圆极化单脉冲馈源的形式。图1为C波段馈源模型图。

多模馈源设计的关键是精心选择馈源各部分的电气尺寸，控制各高次模的幅度和相位，以获得最佳的口面场分布［6］。本天线和模有TE10、TE30、EH12，方位差模有TE20、EH11、EH22，俯仰差模有EH11、TE02等。采用以上模式的馈源由多模喇叭、圆极化器、和差网络组成。

馈源和模的多模激励是采用变张角结构实现的。变张角结构的特点是在不连续处张角发生变化而波导直径不变，由于张角变化而产生高次模。在变张角结构的多模喇叭中有几个张角不连续处，以便互相补充。每个变张角之后的直波导起着移相段的作用。由于多次使用变张角，相对带宽较宽［7～8］。

圆极化器有多种设计方法，波导圆极化器主要有金属切角圆极化器、介质加载圆极化器和各种周期加载的圆极化器等。金属切角圆极化器适合窄带、高功率天线使用。本天线带宽不到4%，但是需承受峰值功率1.2MW，所以比较适合采用金属切角圆极化器［9］。

2.3 S波段馈源设计

S波段天线的主要功能是保证天线引导捕获的范围和引导概率，按照要求S波段馈源与C波段馈源设计在一起，共用反射面，可以保证S波段的增益要求。S波段遥测天线也是单脉冲体制，馈源采用十字振子的形式，通过优化振子的位置，得到合适的馈源照射方向图，满足S波段天线的要求。每个振子后都接极化器实现双圆极化，后面再接和差器实现单脉冲功能，S馈源与C波段馈源放置在一起，排列在其四周，馈源示意图如图2（a）所示，S馈源工作原理图见图2（b）。

本天线首先优化了S波段馈源，使得馈源和方向图在照射半张角范围内，照射电平尽量低，这相当于降低了天线的口径利用效率，缩小了天线的有效使用口径尺寸［10］，这样可以适当展宽天线的波束。

在此基础上，进一步采用散焦的方法，在天线的口径分布场上叠加相位差，可进一步展宽波束。