Ka/W双频共口径测云仪天线设计

李运志，胡卫东，金秀梅

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

近年来，在气象雷达技术领域，相比于厘米波雷达，毫米波雷达更易于实现高增益、低旁瓣及较好的角探测精度和分辨力，更好地分析云层的宏观和微观结构。在毫米波波段里，Ka和W这2个波段传播衰减较小,是毫米波气象雷达最常用的2个窗口频段。研究具有Ka与W双频段一体化技术的毫米波气象雷达，不仅可利用不同频率电磁波对目标产生不同的物理特性，实现更加丰富的气象信息的探测，而且降低了雷达开发成本，提高了雷达系统的利用率[1-6]。作为雷达的关键部件，研制高隔离、高增益、低副瓣的双波段双极化天线已成为研究的热点[7-10]。

由于卡塞格伦天线具有增益高、低交叉极化和口径效率高等优势，已广泛应用于雷达领域。特别是因其馈线波导较短，可以大大改善馈线损耗，成为在毫米波波段天线设计的首选[11-13]。本文采用双频段馈源喇叭，通过共口径卡塞格伦天线技术，实现了在Ka、W双波段的高增益、低副瓣、低交叉极化的天线性能。

1 天线设计

1.1 性能指标

双频毫米波测云仪利用毫米波的高分辨率特性，满足精细化探测，是研究云和降水形成与发展微物理过程的理想工具。因此要求天线具有高增益、低副瓣和低交叉极化等特点，其主要指标如下：

① 工作频段：Ka波段 35.01 GHz±200 MHz

W波段 94.58 GHz±500 MHz

② 天线口径：1.5 m

③ 极化形式：水平、垂直双极化

④ 天线增益：Ka波段≥50 dBi

W波段≥58 dBi

⑤ 波束宽度：Ka波段≤0.42°

W波段≤0.15°

⑥ 副瓣电平：Ka波段≤-23 dB

W波段≤-20 dB

⑦ 极化隔离：Ka波段≥30 dB

W波段≥25 dB

1.2 天线参数设计

双频段双极化是测云仪最主要的特点，由于毫米波频段自身的特点，限制了很多在低频段可以采取的技术手段，因此采用共口径正馈卡塞格伦双反射面技术方案，可以大大降低馈电网络损耗。

焦径比的选择要综合考虑馈源系统的尺寸、交叉极化分量以及副反射面支撑结构对天线精度的影响等因素[14-15]。考虑到天线口径为150λ(35 GHz)左右，因此天线口径比较大，副面可以选择Ds/D=0.1，焦径比F/D=0.3，主反射面相对焦点的半张角θvm为79.6°选择θm=45°(馈源相对副面半张角)，则放大系数M=2.01，副面双曲面的离心率e=2.976 588，双曲面两焦点之间的距离为f=88.75 mm，天线参数设计如图1所示。

图1 天线参数设计Fig.1 Design of antenna parameters

1.3 馈源喇叭设计

馈源喇叭作为反射面天线的核心部件，其性能的好坏直接决定整体天线的性能指标。为实现天线的高增益、低副瓣和低交叉极化等特性，本天线选用同轴嵌套双频段波纹喇叭馈源，内导体挖空形成圆波导传输W波段信号，而同轴波导则传输Ka波段信号，并且在圆波导辐射端口加载介质棒的形式，利用金属环加载改善低频段的匹配特性，最后通过波纹喇叭和介质棒分别控制低频和高频的辐射特性。馈源的仿真模型与加工实物如图2所示，馈源在Ka、W波段的电性能指标的仿真曲线如图3和图4所示。

图2 馈源喇叭模型和加工实物Fig.2 Feed horn model and real object

图3 Ka波段馈源喇叭辐射方向图Fig.3 Radiation pattern of Ka band feed horn

图4 W波段馈源喇叭辐射方向图Fig.4 Radiation pattern of W band feed horn

通过设计优化和加工测试，其仿真数据与测试结果基本吻合，在Ka、W波段的辐射方向图具有良好的E面、H面波束一致性，且交叉极化基本达到-30 dB。

2 天线加工与测试

在结构布局设计上，将天线主反射面、副反射面和馈源通过台阶定位的形式进行构造。首先将辐射器(辐射器包括双频馈源、正交模耦合器、馈线波导和套筒)设计为一个套筒的结构安装形式，套筒的上口设计为台阶定位面安装馈源，套筒的下口也设计为凸台法兰与主反射面焦轴中心的凹台阶定位面进行安装，套筒的上下2个定位面则通过机床加工保证其同轴度和平行度。副反射面通过一个定位支架直接安装在套筒的上定位面，其与焦轴的同轴度精度则是由馈源的外圆周定位面保证。在天线的整体装配上采用高精度装配工装和摄影测量相结合的手段，保证各部件的装配精度。

为获得较好的电性能指标，要求馈源及副面的偏离对称中心线的误差，各个方向都小于0.2 mm，馈源沿前后方向可以略做调整，误差小于0.2 mm。馈源及副面的偏离法向的角度偏差小于3 min，主副反射面的面精度(即加工误差均方根值)指标为≤0.05 mm。

为验证天线的电性能指标，在国家空间科学中心太赫兹暗室对天线进行了近场测试。近场测试环境如图5所示。

图5 天线暗室测试Fig.5 Antenna darkroom test

由图5可见，测试端口距离馈源喇叭有一段长度约350 mm的馈线波导(其损耗值在Ka波段1.16 dB/m，在W波段按照5.45 dB/m估算)。天线在Ka、W波段的典型方向图如图6和图7所示。

图6 Ka波段天线测试方向图Fig.6 Ka band antenna test pattern

图7 W波段天线测试方向图Fig.7 W band antenna test pattern

实测数据与仿真计算结果基本一致，且E面、H面具有良好的波束一致性，天线增益在Ka波段和W波段分别达到53,60 dBi，副瓣电平基本都在-22 dB以下，交叉极化达到30,25 dB。

3 结束语

通过对测云仪天线测试设计、加工和实物测试对比，其性能指标达到设计要求，在相关产品中获得良好的应用。今后需重点关注W波段的天线加工精度，以进一步提升其雷达整机性能。