低波段大功率超寬帶雙極化雷達饋源分析

周紅峰

(船舶重工集團公司723所,揚州225001)

0 引 言

采用拋物面反射體形式的UHF到L波段大功率超寬帶雙極化雷達天線,其前饋激勵饋源的設計非常關鍵。通常超寬帶饋源必然要帶來波束寬度的劇烈變化以及相位中心變化,會導致天線系統的效率降低,并難以控制副瓣電平和產生嚴重的色散。

一般情況下,實現大功率超寬帶雙極化饋源的方法主要有雙極化寬帶脊喇叭、雙極化對數周期天線等。這幾種饋源各自有其特點,下面對這幾種饋源進行分析。

1 寬帶加脊喇叭饋源

脊喇叭可以看作將雙脊結構從波導推廣到棱錐喇叭,這樣可以增加喇叭許多倍的頻帶寬度。雙線極化四脊喇叭具有雙極化、頻帶寬、相位中心相對穩定等特點,加工可以保證較高的極化隔離度,是寬頻帶天線可選擇的饋源。但其輻射方向圖變化大是明顯缺點。饋源的輻射方向圖變化大,使雙線極化四脊喇叭很難保證在超寬帶范圍內提供相對穩定的天線照射,使天線系統的效率、副瓣等性能比較差。圖1為設計的一個四脊喇叭饋源模型,饋源頻段范圍覆蓋UHF到L波段。

圖1 雙極化四脊喇叭的饋源模型

從實際仿真可得到,在UHF到L波段范圍內饋源的輻射角度變化大致范圍為40°～110°。實體反射體天線不可能在如此寬的饋源激勵波束范圍內兼顧到高低波段,所以在全頻段內都獲得滿意的照射效果非常困難,嚴重影響天線在全頻段內的使用。

圖2為雙極化四脊喇叭的饋源輻射方向圖仿真結果。從圖中可以看出,在400 MHz和1 500 MHz兩頻率點,波束變化非常大。

一種改善的解決方案為在反射體上增開透波孔,使高頻段的饋源副瓣可以透過反射體,降低天線系統的副瓣;同時在低波段增大發射體面積,增加天線的效率。這種方案可以在一定程度上緩解大功率超寬帶饋源波束寬度變化過大的問題,但是饋源的遮擋問題以及天線系統的副瓣電平太高等問題還不能得到有效解決。

圖2 雙極化四脊喇叭的饋源波束仿真圖

2 對數周期天線饋源

對數周期天線是一種逐漸展開的周期性結構陣列,對數周期天線中的偶極子長度隨天線遞增而保持角度不變,相鄰單元的長度和間距的比值也保持不變。采用十字交叉的超寬帶對數周期饋源可實現雙線極化,優點是頻帶寬,設計技術成熟,功率容量大,易于調試。對數周期天線的特點是當陣元接近諧振時能最有效輻射,對于任何給定的頻率,僅有偶極子長度約為λ/2部分的天線被利用。從對數周期天線的工作機理可知,超寬帶對數周期饋源的軸向尺寸大,同時有效工作區隨著頻率沿天線的軸向單調地移動,因此對數周期天線寬頻帶工作時不具有確定的相位中心。所以大功率超寬帶雙極化對數周期天線的缺點是饋源長度長、相位中心隨頻率變化大,從而造成天線效率降低。

圖3是一個十字交叉的大功率超寬帶對數周期饋源模型,其頻率覆蓋范圍為UHF到L波段。對數周期天線在很寬的頻帶內獲得近乎恒定的阻抗、方向圖和增益值,具有優良的寬頻帶特性。從圖4的方向圖仿真結果中可以看出饋源的波束在400 MHz和1 500 MHz的變化明顯小于雙極化四脊喇叭的饋源。

由于饋源采用的是雙線極化對數周期天線,因此2組正交的對數周期天線之間必然會產生耦合,相應地會影響天線的極化隔離;另外2組振子之間的非正交性也對天線的極化隔離產生影響。

圖3 十字交叉雙線極化對數周期饋源

圖4 十字交叉雙線極化對數周期天線波束仿真圖

對數周期天線軸向相位中心的移動使相位中心不可能保持在拋物面反射體的焦點附近,會在超寬帶范圍內引起大的色散效應,降低天線系統的效率,降低天線系統的副瓣等指標。以上特點限制了對數周期天線在大功率超寬帶雙極化饋源方面的應用。

3 低剖面對數周期天線陣饋源

對數周期天線雖然在恒波束、天線增益等方面存在著較大的優勢,但是存在超寬頻帶工作時,天線的縱向尺寸過大,且相位中心隨工作頻率的變化而移動等不適合于反射面饋源應用的缺點。如果能解決相位中心移動的問題將是比較好的超寬帶饋源。

這里采用大張角的對數周期倒置天線單元的天線陣饋源,形成低剖面寬帶雙極化反射面天線饋源。大張角對數周期天線陣設計縮短了對數周期天線的軸向尺寸,饋源的工作頻率在連續變化時,饋源的有效工作區與天線地板的間距電長度保持穩定。因此低剖面寬帶雙極化天線可以在很寬的頻率范圍內實現穩定的波束寬度和相位中心,易于實現對反射面的均勻照射。在天線系統設計時,可以減小饋源對天線反射面口徑的遮擋,有利于控制副瓣電平。這種饋源形式還具有優良的交叉極化特性,可以獲得比較好的極化隔離度。

圖5為設計的低剖面對數周期天線陣饋源,其頻率范圍覆蓋 UHF到 L波段。圖6為400 MHz和1 500 MHz方向圖仿真結果,說明饋源的波束在超寬帶范圍內變化很小。

圖5 低剖面對數周期天線陣

圖6 低剖面寬帶雙極化反射面天線饋源波束仿真圖

經過仿真在UHF到L波段范圍內饋源的輻射波束寬度在110°～120°之間變化。很小的饋源波束變化,為超寬帶天線系統設計帶來了極大的便利,使天線系統在全頻段內比較容易獲得高增益和低副瓣電平。

從上述特點可以看出,低剖面寬帶雙極化饋源非常適合低波段大功率超寬帶雙極化反射面天線的饋源。

4 結束語

綜合分析UHF到L波段大功率超寬帶雙極化饋源的實現方式,可以得出低剖面對數周期天線陣饋源能獲得較穩定的天線照射角度,使天線的增益、效率以及副瓣等在全頻段都可以得到比較滿意的結果,是比較理想的低波段大功率超寬帶雙極化饋源的實現方案。

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