W波段切割抛物面收发双天线系统的研究

摘要：毫米波频段具有极宽的信息频带、独特的电波传播特性和良好的设备轻小型化潜力，在新型的通信、雷达、射电天文和遥感系统的发展中，应用日益广泛。我国电子领域未来将朝毫米波高端发展，毫米波天线，包括采用先进复合材料制造的高精度天线，开发W频段或更高频段，其应用前景无疑十分广阔。

关键词：毫米波天线 开发W频段 应用前景

1 国内外研究现状

目前使用较多的毫米波天线有反射面天线、透镜天线和喇叭天线。除此之外，一些较低频率的天线也能适用于毫米波频率，如裂缝偶极子和低介电损耗微带天线等。然而，在高增益应用场合，反射面天线相对其他种类天线来说，更具有增益大、工作频段更高、损耗小等优势。制造于80年代中期的James Clerk Maxwell射电天文望远镜就是一个成功应用实例，天线口径15米，最高工作频率750GHz，在波长为0.4mm时，天线增益约为95dB，波束宽度为6弧秒。天线主反射器由分布在7个环上的276块板组成，这些板分装在相应的架上并且可以分别用马达驱动调整，板的表面精度误差（RMS）小于15，采用毫米波全息摄像技术来校准表面（马达驱动），估计整个天线的RMS控制在30。碳纤维复合材料天线由于其重量轻，批量生产价格便宜等优点，也广泛用于毫米波段。美国1999年发射的NASA跟踪与数据中继卫星HS601，卫星由加拿大休斯公司制造，天线口径3.8米，天线网格由碳纤维复合材料制造，具有轻质、高强，耐空间环境特性。

2 发展趋势

由于受应用限制，国内的毫米波天线应用多在Ka频段，而在W频段或更高频段，未见公开报道。

3 研究开发内容

本系统是一个工作在W波段的收发分置反射面双天线，通过更换馈源，天线可以在线/园极化状态下工作。反射面天线要在俯仰面产生一个相对较宽的波束（2°～3°），而在方位面产生一个相对较窄的波束（0.2°～0.5°），因此采用切割抛物面作为收发天线比较合适，一般情况下，切割抛物面效率很难做高，只能经过精心设计做到最佳。考虑到加工成本及加工难度，馈源采用光壁角锥喇叭。由于考虑到应用于连续波工作体制，因此收发天线隔离度要求大于30dB。系统对收发天线的波束重合度也有严格的要求（0.1°～0.2°）。

4 技术关键

从反射面产生的波束宽度来看，天线属于电大尺寸，天线性能取决于以下几个关键技术：①天线几何尺寸选取的合理性。②天线辐射特性的准确计算方法。③零件制造与检验，装配与调试。

5 技术路线

5.1 采用Ansoft公司的HFSS软件进行馈源仿真设计 HFSS仿真技术已十分成熟，可用于馈源设计，根据天线边缘照射电平要求，设计调整喇叭的口径尺寸及喇叭长度，适当考虑馈源的驻波要求。

5.2 采用物理光学法计算抛物面天线的辐射特性 由于天线属于电大尺寸，受计算机内存及运行速度的限制，软件仿真法已不适用于天线辐射特性的计算，我们采用物理光学法计算抛物面天线的辐射特性，其计算过程如下：

5.2.1 建立计算用馈源理论模型。实际喇叭的仿真特性与计算用馈源理论模型的特性有差异，通过在不同的角度区域，改变理论模型的口径，使其逼近实际喇叭的仿真特性，减少计算误差，我们采用此方法成功设计过Ka波段副瓣小于-30dB的天线。

5.2.2 偏置切割抛物面特性参数计算。建立计算坐标系如图1所示，抛物面焦点位于坐标系XYZ的原点，那么其顶点坐标为（0，0，-f）。

复电场可表示为：

I=K exp+jkρ·dS

可以将复电场化为标量远场，标量远场的数学推导较为繁琐，这里从略。计算标量远场时，是将积分化为求和进行的，考虑到我们计算时的波长约4mm，求和时xy方向的网格划分小于1mm×1mm。

5.3 结构要求 若采用锻铝进行高速铣精密加工，抛物面形面误差小于0.02。若用碳纤维复合材料制造，抛物面形面误差小于0.05。馈源与天线安装精度要求高（位置误差小于0.02），重量要轻。

5.4 结构设计和加工 天线外形尺寸为700×100×140，材料外形比较大，抛物面形面误差小，加工精度高，故材料采用为碳纤维复合材料，这样保证加工变形小。为了减轻重量，在天线背面铣减轻槽面。天线背面为安装面，天线性能取决于安装平面精度，所以天线安装平面精度要求很高。平面度0.02。安装孔精度为±0.02。抛物面模具加工分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效处理（应力消除），精加工成型为了保证抛物面形面，采用工装夹具和数控加工。工装夹具精度要求更高。天线外形尺寸700×100×140，重量约3kg。喇叭采用整体线切割成形。弯波导采用线切割焊接成型，最终通过测试检验。若焊接不能保证电气要求，就采用电铸整体成形。

6 技术指标

天线形式：上下布置的切割抛物面收发双天线（收发可互换）；工作频率范围：80.GHz±800MHz；天线水平孔经：约700mm；增益：≥45dB；副瓣电平：≤-25dBc（最好达-28dBc）；收发隔离度：≥30dB；极化：垂直/水平/圆；方位波束宽度：0.4°±0.02°；俯仰波束宽度：2.4°±0.1°；驻波：1.1：1；天线接口：WR12波导+UG387/u法兰；收发馈线损耗：（1.5+1.5）dB；装配要求：收发天线整体装配，电轴保持一致；天线重量：尽可能轻；其它要求：有瞄准镜波束瞄准装置，有调平装置，保证方位扫描时天线俯仰指向不变，温度变化时天线性能不发生明显变化。

7 应用前景

本系统是针对机场和航空母舰跑道监视雷达应用研制的，现在国内几乎所有的机场在飞机起降间隔内，都是乘巡道车采用人工巡视的方法检查跑道上有多类似于螺钉等障碍物的，毫无疑问，这将费时又费力，而且可靠性也不会高。英国QinetiQ公司2006年开发出外来物体碎片（FOD）（Foreign Object Debris）自动检测仪Tarsier，可以替代人工进行机场跑道监视。据消息国内已有机构在开发类似的收发机和信号处理器作为配套的天线系统，无疑有着广阔的市场前景。团队拥有Ansoft公司的HFSS软件及天线设计程序包，有工程经验丰富的天线专业设计师，完全可以自主设计天线。

结构设计与加工：①喇叭加工采用整体线切割成形。弯波导采用线切割焊接成型，最终通过测试检验。②加工天线外形尺寸为700×100×140，材料外形比较大，抛物面形面误差小，加工精度高，抛物面形面误差小于0.1，为了保证精度，提高模具精度，采取严格工艺方法。材料和胶选择上严格把关，可以保障天线精度。碳纤维复合材料天线重量更轻，环境影响更小，适应大批量生产。故材料采用为碳纤维复合材料，这样保证加工变形小。为了减轻重量，在天线背面铣减轻槽面。天线背面为安装面，天线性能取决于安装平面精度，所以天线安装平面精度要求很高。平面度0.02。安装孔精度为±0.02。抛物面模具加工要求比较高，模具分多次加工，加工毛坯、粗加工、半精加工、材料失效处理（应力消除），精加工成型。为了保证模具抛物面形面，正确选择工装夹具和数控加工。若用碳纤维复合材料制造，抛物面形面误差小于0.10。馈源与天线安装精度要求高（位置误差小于0.02），③调试设备和仪表与081总厂和电子科大合作。而波束宽度窄，转台精度高，没有合适转台，调试工装自己制造。④天线架子加工。天线架子采用铝板加工，保证安装加工精度。天线与安装架子精度靠销子定位，同时用工装来实现（如图2）。喇叭位置由架子定位孔安装，同时用工装检验。最终通过调试决定。瞄准镜跟据天线电气固定。天线架子高约600mm，安装喇叭隔板长约510mm。安装天线支架底板为320×320mm。总重量约20kg。

参考文献：

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作者简介：徐志刚（1962-），男，福建浦城人，本科，副教授，研究方向：电子信息。