一種雙極化收發分離的波束波導饋電網絡

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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.北京航空航天大學電子信息工程學院， 北京 100191；3.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽合肥 230088)

0 引言

毫米波在深空探測、氣象測量和衛星遙感領域得到廣泛應用，而常見的毫米波波導、波導耦合器、環行器和波導開關等器件損耗較大，不利于毫米波饋電傳輸[1-4]。波束波導傳輸毫米波具有損耗低、頻帶寬、易維護等諸多優點。因此，采用波束波導饋電體制的饋電網絡具備明顯優勢。谷勝明等設計了一種雙拋物面饋電的偏置卡塞格侖天線[5]；石俊峰等設計了一種波束波導饋電系統的反射面天線，該饋電系統由7個單向傳輸反射鏡組成[6]；段玉虎分析了波束波導饋電系統在深空探測天線應用中的關鍵技術問題[7]；潘高峰等設計了一種3頻段波束波導饋電的卡塞格侖天線，并提供了各器件的設計思路和參數[8]。上述波束波導饋電系統均是單極化單向傳輸的波束波導饋電系統，難以實現雙極化發射/接收、收發分離的功能。同時，具備上述功能的波束波導饋電系統鮮有報道。為了滿足雷達系統對多功能波束波導饋電網絡的應用需求，本文引入法拉第旋轉器，結合極化柵、平面鏡、曲面鏡設計了一種雙極化、收發分離的波束波導饋電網絡。

1 波束波導饋電網絡工作原理

設計的雙極化收發分離的波束波導饋電網絡由饋源、平面反射鏡、曲面鏡、極化柵、法拉第旋轉器及天線副反射面組成，如圖1所示。

圖1 波束波導饋電網絡原理圖

該饋電網絡分垂直極化發射/接收通道和水平極化發射/接收通道兩個部分，它們共用同一極化柵，饋電到天線副反射面。為了提高發射機可靠性，設置有備用發射機。

波束波導饋電網絡中的平面鏡用于改變波束傳輸方向，曲面鏡不僅可改變波束傳輸方向還能調節出射波束形狀。極化柵是一種極化選擇性金屬線柵，對極化方向垂直于線柵朝向的極化波幾乎完全透過，對極化方向平行于線柵朝向的極化波則表現出強反射。法拉第旋轉器是由磁性材料制成的微波器件，通過其線性極化波極化方向會偏轉一定角度。此處使用的法拉第旋轉器在對應頻段極化偏轉角為45°。

波束波導饋電網絡工作原理如下：

1) 水平極化發射：發射機H發射45°線性極化波(設定電場水平向右為0°，順時針為負，逆時針為正)。波束由反射鏡改變方向透過-45°極化柵，接著通過45°法拉第旋轉器，極化方向順時針旋轉45°成為0°的水平極化波，然后透過90°極化柵到達天線副反射面。

2) 水平極化接收：回波經天線副反射面到達90°極化柵，其中，水平極化分量通過90°極化柵進入水平接收通道，通過45°法拉第旋轉器后，極化方向順時針旋轉45°成為-45°線性極化波，經過-45°極化柵，反射至H極化接收機。

3) 垂直極化發射/接收：與水平極化發射/接收原理相同。區別是發射機V發射的是-45°線性極化波。借助極化柵和法拉第旋轉器，實現了共用副反射面和收發分離。

2 饋電網絡設計

基于圖1波束波導饋電網絡示意圖，采用平面鏡，橢球鏡、極化柵、法拉第旋轉器、雙曲面鏡設計了W波段雙極化收發分離的波束波導饋電網絡。該饋電網絡及各器件相對位置關系如圖2所示。

圖2 波束波導饋電網絡示意圖

圖2中，Feed_ht,Feed_hr,Feed_vt,Feed_vr分別為水平極化發射饋源、水平極化接收饋源、垂直極化發射饋源、垂直極化接收饋源；m_h,m_v為平面鏡。r_ht,r_hr,r_vt,r_vr為橢球鏡；bs_v,bs_h,bs為極化柵；load,load_h,load_v為吸波尖劈；rg為橢球鏡，rg_2為雙曲面鏡，二者作為天線副反射面可靈活調節饋電網絡出射波束形狀。法拉第旋轉器只改變波束極化方向，不改變波束傳輸方向和形狀，加之其為磁性材料，在饋電系統仿真時未引入該器件。

饋電網絡包含4個傳輸通道：

1) 水平極化發射：Feed_ht→m_h→r_ht→bs_h→bs→rg→rg2；

2) 水平極化接收：rg2→rg→bs→bs_h→r_hr→Feed_hr；

3) 垂直極化發射：Feed_vt→m_v→r_vt→bs_v→bs→rg→rg2；

4) 垂直極化接收：rg2→rg→bs→bs_v→r_vr→Feed_vr。

圖2給出了水平極化接收通道波束傳輸路徑，圖中方形柵格對應單元間距為20 mm，由此可以確定各器件之間的相對位置關系。

采用物理光學法，結合高斯波束理論，以反射鏡邊緣電平-20 dB為設計條件，確定了各器件的尺寸參數。饋源采用雙模圓錐喇叭，4個饋源喇叭完全相同，工作頻率為94.05 GHz，出射波束束腰半徑為4.5 mm。平面鏡m_h,m_v為方形金屬平面反射鏡，邊長均為30.6 mm。橢球鏡r_ht,r_hr,r_vt,r_vr是在同一橢球上截取的反射面，該橢球焦距為355.20 mm，入射點距離橢球兩焦點的距離分別為123.32 mm,333.10 mm，橢球鏡孔徑長度為137.60 mm。橢球鏡rg所在橢球的焦距為301.86 mm，入射點距離橢球兩焦點的距離分別為135.00 mm,270.00 mm，橢球鏡孔徑長度為61.72 mm。雙曲線面鏡rg_2所在雙曲線焦距為157.17 mm，入射點距離兩焦點的距離分別為138.59 mm,34.65 mm，雙曲面鏡孔徑長度為55.58 mm。極化柵bs,bs_v,bs_h均為方形，線柵的直徑為0.1 mm，線柵間距為0.3 mm，極化柵邊長依次為35.6 mm,55.0 mm,55.0 mm。吸波尖劈load,load_h,load_v均為正方形結構，其邊長分別為34.7 mm,40.2 mm,40.2 mm。兩個法拉第旋轉器均為正方形，邊長為60 mm，放置在極化柵bs,bs_v和bs,bs_h中間。饋電網絡仿真模型如圖3所示。

圖3 饋電網絡仿真模型

3 結果分析

3.1 仿真結果分析

基于互易原理，接收通道驗證通過分析其發射狀態來替代。94.05 GHz時，波束波導網絡發射水平極化波、接收水平極化波、發射垂直極化波、接收垂直極化波仿真結果如圖4～7所示。

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖4發射水平極化波結果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖5接收水平極化波結果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖6發射垂直極化波結果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖7接收垂直極化波結果

為了滿足照射到大型反射面天線的饋電要求，波束波導饋電網絡出射波束設計目標為-10 dB，照射電平波束寬度為50°，與對應指標的理想高斯饋源比較結果如表1所示。理想高斯饋源出射波束是旋轉對稱的，其水平極化與垂直極化狀態波束特性一致。

表1 4個通道出射波束與理想高斯饋源比較結果

由仿真結果得知，波束波導出射的波束與理想高斯波束相似度很高，4個通道的波束外形十分接近，與理想高斯饋源相比，增益約減小0.5 dB，-10 dB照射電平波束寬度相差±1°，UV空間出射波束的幅度和相位特性良好，具備良好的電磁傳輸性能。

3.2 插入損耗分析

對于波束波導饋電網絡，其最大優勢在于通道傳輸損耗低、受傳輸距離影響小。加工的波束波導饋電網絡如圖8所示，該饋電網絡包含法拉第旋轉器，波束波導饋電網絡使用工裝安裝固定在平整金屬底板上，并確保各器件波束傳輸主軸在同一平面上。

采用功率比較法測試饋電網絡的傳輸損耗，分別采集饋源喇叭和波束波導饋電網絡平面近場分布，計算出相應的總功率，波束波導饋電網絡出射總功率比饋源喇叭出射總功率即為波束波導饋電網絡對應通道的傳輸損耗。

圖8 波束波導饋電網絡實物圖

測試4個通道的傳輸損耗如表2所示，測試頻帶為93～95 GHz。

表2 4個通道傳輸損耗測試結果

波束波導饋電網絡主要損耗來源于法拉第旋轉器，該器件包含鐵氧體材料，具有一定的磁損耗。另外，因為鐵氧體材料介電常數較高，不利于傳輸阻抗匹配，存在失配損耗。反射鏡、極化柵均為金屬材料，損耗很小。

由表2可知，各通道損耗均小于2 dB，與傳統波導體制的饋電網絡相比，損耗要小得多。例如，WR-10波導在W波段的損耗為3.3 dB/m。

4 結束語

波束波導饋電網絡傳輸損耗與傳輸距離不成比例關系，非常適合遠距離電磁傳輸。波束波導饋電網絡具有傳輸損耗低的優點，特別適合作為X至W波段反射面天線的饋電系統。本文設計的雙極化收發分離波束波導饋電網絡，集成了垂直極化發射/接收和水平極化發射/接收四個通道，具備共用反射面天線和收發分離的功能，可作為雷達饋電系統。該饋電網絡出射波束一致性好、傳輸損耗低，具備較高的工程應用價值。

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