X波段雷达干扰机圆极化天线设计

2020-10-13吴昌松于卫刚宋欣豫左国银郭超辉

火控雷达技术 2020年3期

吴昌松于卫刚宋欣豫左国银郭超辉

(中国洛阳电子装备试验中心河南洛阳 471003)

0 引言

X波段广泛用于跟踪制导、火控雷达等领域。目前，X波段的雷达主要有海基的SBX雷达，陆基的GBR、FBX-T雷达。为了更好地突破雷达防御系统，雷达干扰机应运而生。圆极化天线可有效避免极化损耗，并减少了由于多径效应造成的直接信号与反射信号之间的互扰[1]。相比于线极化天线，圆极化天线在导弹防御系统中更具优势。此外，作为雷达干扰系统的一个组成部分，天线的基本要求是轻质量、低剖面、易于加工和组装。

近年来，学者已经提出了几种在X波段实现圆极化的方法。在文献[2]中，交叉蝶形天线设计用于卫星导航系统。通过调整蝶形的形状尺寸，使其具有圆极化性能。简单的指数锥形微带线用于阻抗匹配，阻抗带宽约为20%，轴比带宽为10%。在文献[3]中设计了一个圆槽贴片天线。天线采用双层介质基板以拓展带宽。在上层介质板的圆形槽的中心设计一个椭圆形辐射贴片，在下层介质板设计一个单点馈电的菱形微带线用以实现约轴比带宽为16%的宽带圆极化特性。该天线可用于机载X波段圆极化合成孔径雷达的一个器件。为进一步展宽阻抗带宽和轴比带宽，采用了多种技术。在文献[4]中，采用功分器实现圆极化特性。为了使结构紧凑，功分器重新定型并设计在环形圈的内部。层叠寄生圆形贴片以改善阻抗宽带和轴比带宽。

本文设计了一个X波段的宽带圆极化天线，采用四路功分网络用以实现圆极化特性。采用弧形微带馈线耦合馈电实现宽带特性。此天线具有较宽的工作频带、良好的辐射特性和较低的交叉极化水平。

1 天线设计

图1给出了天线的模型图。利用HFSS软件进行仿真，天线采用1 mm厚的罗杰斯5880基板(介电常数2.2，损耗角正切0.0009)。辐射结构在介质板上表面，馈电网络在下表面。四个圆形贴片分别放置在四个圆形槽中心位置。谐振频率是由辐射贴片的电尺寸所决定。天线的输入阻抗通过调整馈线的尺寸和相对位置以匹配50 Ω的SMA转接头。弧形馈线的角度设计为90°以实现最优的耦合馈电。调整弧形馈线与圆形贴片的相对位置以实现偶极子模式下的更优带宽。馈电网路采用旋转螺旋功分器实现圆极化。天线的几何尺寸在表1中给出。

图1 天线模型图

表1 天线尺寸(mm)

2 参数分析

图2给出了在不同r1下S参数的变化曲线。从图中可以看出，贴片的尺寸决定了谐振的中心频率，并影响阻抗带宽。随着r1的增加，圆形贴片向弧形微带边缘靠拢，耦合电容发生变化。第一个谐振频率变低，第二个谐振频率变高，但阻抗带宽始终保持在20%左右。圆极化是通过旋转螺旋功分器实现的。首先进行了馈电网络的设计，通过合理的参数设计，使功分网络阻抗带宽可达25%左右，功分网络重要参数见表1。经过合理的馈电网络设计后，我们优化了其他有影响的参数，以获得更宽的轴比带宽。图3显示r2对轴比性能的影响。结果表明，在第一个谐振频率下，随着r2的增加，轴比最优值变

图2 仿真S参数r1变化曲线

图3 仿真轴比随r2变化曲线

小。在第二个谐振频率，轴比最优值不变。通过仔细优化r2，在不改变工作频率的情况下，AR带宽可以变得更宽。事实上，合适的圆形槽有助于同时拓展阻抗和轴比带宽。

3 仿真结果

图4给出回波阻抗的曲线，低于10 dB的仿真阻抗带宽为21.9%(8.75～10.9 GHz)。图5给出轴比曲线，低于3 dB的仿真轴比曲线为19.6%(8.75～10.65 GHz)。图6给出天线在最大辐射方向上的增益。在9.0 GHz处增益最大为9.45 dB。图7描述了在9.0 GHz处和10.0 GHz处辐射方向图。如图所示，右旋圆极化在+z方向获得，左旋圆极化在-z方向获得，天线具有双向辐射特性，同时具有相对较低的交叉极化水平，3 dB波束宽度范围内，天线交叉极化可达10 dB以上，在低频处可达20 dB以上，在辐射频段内方向图较稳定。