毫米波段连续波雷达天线隔离度设计

王永华 赵迎超

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

连续波雷达具有发射功率小，电子对抗能力强，距离分辨率高等优点，得到了广泛应用，特别是在极近程雷达测试领域得到了大量应用。在连续波雷达各项指标中，收发通道隔离度是一个十分重要的参数，若隔离度不够，会削弱雷达威力大大降低雷达作用距离，严重时会造成接收通道信号饱和，雷达系统无法工作[1]。提高收发通道隔离度的传统措施有:加大收发天线距离间隔，可以十分有效的提高雷达收发通道的隔离度，但在一些需要紧凑结构的雷达系统应用方面，无法使用;收发天线错落布阵，对提高收发天线间隔离度作用有限;收发天线间加装金属挡板可以提高收发天线间隔离度，但是金属档板太高时对天线方向图影响比较大;在接收通道对耦合信号进行中频对消一般可以提高隔离度－30dB左右，但成本比较高。本文设计的收发天线波束宽度较宽，天线间距只有3个波长左右，不采取隔离措施时，天线隔离度只有－44dB左右。通过对收发天线间电磁耦合通道的分析，收发天线间电磁耦合主要有金属框架和天线罩同电磁波感应产生的表面波，以及收发天线副瓣产生的空间电磁耦合等。为了提高天线间隔离度，采用了天线罩与天线结构一体化设计，天线罩采用低介电常数材料，降低天线罩表面波[2]，天线间加装扼流槽遏制金属表面表面波传输[3]，天线框架贴吸波材料，收发天线分别安装具有遏制特定频率电流传输的微波光子晶体结构等措施[4－5]，收发天线间隔离达到 －85dB。

综上，Corvis ST对儿童CCT的测量重复性高，本研究中发现Corvis ST与SS-1000 OCT测量CCT的差异有一定的临床意义，虽然二者之间具有良好的一致性，在临床应用时应该考虑到两者之间的差异，不宜互相替代。Corvis ST通过1次检查即能获得多个参数的优势可能在儿童眼病的诊疗方面有一定帮助。

1 收发天线耦合路径分析

对于连续波雷达，收发天线间隔离度是关键指标，它决定了雷达系统的性能。本文设计的接收天线为单脉冲天线，发射天线为喇叭天线，收发天线间距为3个中心频点波长，安装在金属框架内，由天线罩密封。收发天线波束宽度比较宽，副瓣不到－10dB，由此带来收发天线间电磁波空间强耦合;天线罩离收发天线只有1/4波长的间距，在距离上属于天线近场区，天线罩激励起比较强的表面波电流;收发天线共用一个金属框架，当电磁波到达金属框架时，框架表面与电磁波产生感应，生成表面波电流，同时框架表面反射电磁波形成很强的多径反射。通过以上分析可知，本文所设计的毫米波段连续波雷达天线隔离度在没有采取隔离措施的情况下很差，在多径反射的影响下收发天线方向图也会产生严重的恶化。

针对上述耦合路径，本文提出了一系列对应的解决办法。

2 提高收发天线隔离方法分析

2.1 扼流槽的设计

本文设计的收发天线安装在同一个金属框架内，当发射天线辐射微波能量时金属框架表面会感应产生相应的表面波电流，当接收天线接收到金属框架表面传输来的表面波电流时，大大恶化了收发天线间的隔离度。扼流槽是一种可以阻止特定频率微波电流传输的结构，它的结构形式为在金属表面开一个深度约为中心频率1/4波长，宽度适中的空气槽，当表面波电流流经扼流槽时，使得电流被阻止通过，从而提高了收发天线间的隔离度。扼流槽结构示意如图1。

了收发天线间的隔离;一部分通过金属表面的反射形成多径反射，恶化了天线方向图。在金属框架表面安装微波吸波材料可以有效减少金属表面的表面波电流与金属表面反射形成的多径反射，改善天线隔离度与方向图。在HFSS仿真软件中建立微波吸波材料吸波性能的验证模型，通过仿真计算，加装微波吸波材料，改善了天线方向图，提高收发天线间隔离度15dB。仿真模型，计算结果如图7、图8所示。

当天线安装在金属框架内时，天线收发的微波能量一部分与框架产生感应生成表面波电流，恶化

为验证使用上述隔离措施后天线收发隔离度的改善，在HFSS仿真软件中建立两个计算模型，一个模型没采取隔离措施，一个模型采用上述隔离措施。图9为加隔离措施的收发天线结构。

金属表面的阻抗比较低，在金属表面加装特殊的结构形式形成高阻抗结构以阻止微波表面波电流在金属表面的流动，可以提高收发通道间隔离度。微波光子晶体结构就是这样一种结构形式[4]，在微波敷铜板材料上通过腐蚀和金属化通孔工艺，形成如图5的结构，它属于一种LC谐振电路，在谐振频点具有很高的表面阻抗。优化微波光子晶体结构尺寸，可以在需要的频带范围内形成高阻抗特性，等效于一个表面波滤波器。在HFSS仿真软件中，建立一个验证微波光子晶体结构提高天线隔离度的模型，通过优化它的结构参数，与没有采取隔离措施的情况相比，收发天线间隔离度提高了16dB，计算结果见图5、图6。

2.2 具有高阻特性的微波光子晶体设计

图1 扼流槽示意图

图2 扼流槽等效电路原理图

图3 验证模型

图4 验证模型计算结果

在HFSS仿真软件中建立一个验证扼流槽效果模型，通过优化扼流槽结构，收发天线隔离度可以提高13dB，模型结构与计算结果见图3、图4。

2.3 微波吸波材料改善天线性能的作用

扼流槽等效电路原理图如图2所示。在扼流槽模型中Z1=0，Zc为金属面的理想传输特性阻抗，Zin为从扼流槽看过去的负载阻抗，Γ为反射系数，通过公式(1)与(2)，可以得出扼流槽为全反射结构，从而遏制表面波电流的传输。

图5 微波光子晶体结构验证模型

图6 微波光子晶体结构滤波效果

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图7 加吸波材料后隔离效果

3 毫米波段连续波雷达天线设计

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收发天线仿真计算结果如下:图10为加隔离措施前后接收天线中心频点方向图仿真计算结果，图

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图8 吸波材料改善天线方向图

图9 加隔离措施收发天线结构图

11为加隔离措施前后收发天线间隔离度仿真计算结果。

图10 加隔离措施前后接收天线方向图

加隔离措施对收发天线驻波、天线增益影响比较小;铺设吸波材料减少了金属框架产生的多径反射，改善了天线方向图如图，10所示;本文采用扼流槽技术、高表面阻抗微波光子晶体技术、铺设毫米波吸波材料等方法改善收发天线隔离，与未采取隔离措施的情况相比，提高收发天线隔离度40dB，如图11所示。

图11 加隔离措施前后收发天线间隔离度

4 结论

通过对连续波雷达天线隔离指标的分析，收发天线间主要的耦合通道有:由高副瓣引起的电磁波空间耦合，金属框架感应电磁波引起的表面波，天线罩产生的表面波等。本文采用相应隔离措施，收发天线间隔离达到－85dB以下。

[1]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.

[2]杨桦.表面波对收发天线隔离度的影响及其解决办法.航空兵器，2011，1:43 －45.

[3]李杰燃，李亮.天线隔离度及其测试方法分析.舰船电子对抗，2010，33(5):51 －54.

[4]吕波，郑秋容，袁乃昌.一种改善雷达收发隔离的新方法.系统工程与电子技术，2008，30(8):1595－1597.

[5]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，1991.