X波段宽带正交双线极化天线设计

杨亚兵 赵迎超 李绪平 姜世波 汤 畅

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在现代信息化、立体化战争中，随着防空技术和地(空)对空武器装备的发展，战机的作战环境正变得越来越严峻，其先天优势正面临着前所未有的挑战。如何有效地提高我军主战战机在日益复杂电磁环境下编队突防和生存能力，具有至关重要的现实意义［1］。航空电子技术与武器装备体系中，机载雷达干扰机系统可以对地面或者空中威胁雷达实施有源电子干扰，降低敌方武器系统效能，以实现有源自卫，达到提高载机自身战场生存能力的目的［2-3］。

某型雷达干扰机天线用于X波段机载雷达干扰机系统。由于特殊的应用对象及使用环境，该干扰机系统对天线性能有特定要求。首先，干扰目标为X波段敌方雷达，属于非合作、非友好目标，其电磁波频率与极化方式未知，所以干扰机天线应具有宽频带、双线极化特性，对该频段敌方水平极化或者垂直极化雷达均能实施有效干扰;其次，敌方雷达具体方位未知，干扰机天线波束要求能够覆盖一定的空域范围;最后，机载干扰机天线必须适应载机特殊的工作环境条件，冲击、振动、高低温等环境适应性特性应优良。

为了满足系统对干扰机天线特定的性能要求，天线电气性能必须具有X波段全频段的正交双线极化特性，且结构设计应尽可能采用金属腔体形式。基于对称五端口分支形式的正交模耦合器(OMT)，本文提出了一种新型宽带正交双线极化喇叭天线。在理论分析与仿真设计的基础上，加工了天线工程样机并进行了实际调试与测试工作。验证试验结果表明，在所要求的工作频段内该天线具有优良电气与结构特性，可用于机载雷达干扰机系统。

1 理论分析与仿真设计

1.1 方案设计

考虑到工作带宽、极化方式以及结构强度等方面的实际要求，采用角锥喇叭形式进行设计。

调整角锥喇叭的开口结构尺寸可保证天线特定覆盖空域的增益要求。为了实现双端口正交双线极化特性，在同一频率上使用极化方式不同且相互隔离的通道，就要采用正交模耦合器［4-5］。正交模耦合器(OMT)为三端口网络，其可鉴别公共端口上两个正交主模的独立信号并将它们供给单一信号端口，使所有端口匹配且在两个单一信号端口之间具有高的极化鉴别能力。图1所示为天线设计方案示意图。

图1 设计方案示意图

1.2 正交模耦合器设计

天线工作于X波段全频段，为了满足设计要求并保留一定的设计余量，就需要采用带宽大于40%的正交模耦合器。但是，常规设计的正交模耦合器带宽只有10%～15%。

正交模耦合器宽带化设计的关键是公共波导中分支结构的设计，因为公共波导内易激励高次模而制约工作带宽。经分析认为，如果分支结构相对于两个主模都是对称的，这样就不易激励出高次模，一定程度上抑制了高次模的产生或者使其凋落。为了实现对称性要求，本设计提出了具有双接头形式的对称五端口分支结构，如图2所示。

图2 对称五端口分支结构示意图

图2中，控制正交极化信号(TE10和TE01)的公共方波导端口直接正对纵向双接头，该接头有波导横截面端口P1和P2。第二个双接头提供端口P3和P4，该接头由一对分别位于分支段侧壁的E面T组成。五端口分支内部的隔板和侧壁分支端口处的感性金属柱是影响带宽和模式匹配的关键。侧壁双接头端口的宽带匹配是通过在分支区域内台阶金属隔板实现的。通过调整隔板的台阶数量和尺寸，可以达到匹配。隔板与侧壁连接并将纵向双接头分隔成端口P1和P2。纵向双接头的匹配是通过位于侧壁双接头端口处的电感柱来实现。

由于P1～P4每个端口的能量为其对应主模能量的一半，因此必须采用功率合成器组合，以便在总端口上提供给定极化总的信号能量。纵向双接头端口P1和P2与图3中功率合成器A连接实现极化分离后模式TE10的两路信号分量的合成。侧壁双接头端口P3和P4与图4中功率合成器B连接实现极化分离后模式TE01的两路信号分量的合成。

图3 功率合成器A

根据上述设计分析，将对称五端口分支结构、功率合成器1以及功率合成器2组合得到完整设计的正交模耦合器，如图5所示。

图4 功率合成器B

图5 正交模耦合器示意图

利用Ansoft HFSS软件对所设计的正交模耦合器进行了仿真优化，图6～图8给出了电性能仿真结果。由仿真结果可以看出，在所要求的工作频段内，两个正交极化端口电压驻波比小于1.4，端口隔离度优于66dB，插入损耗小于0.15dB。

图6 正交模耦合器端口仿真电压驻波比

1.3 双极化喇叭设计

在正交模耦合器设计完成以后，按照既定的设计方案设计了双极化天线。所设计的天线模型如图9所示。

图7 正交模耦合器仿真端口隔离度

图8 正交模耦合器仿真插入损耗

图9 天线模型示意图

利用软件对该天线进行了仿真优化。图10为工作频段内电压驻波比随频率变化曲线，图11为两正交极化端口隔离度随频率变化曲线。可见，所设计的天线具有优良的宽带正交双线极化特性。

2 实验验证与结果分析

在理论分析与仿真设计的基础上，加工了天线工程样机，如图12所示。在微波暗室环境条件下对样机进行了试验验证，主要包括电压驻波比、极化端口隔离度以及辐射特性(方向图和增益)等测试。

图10 天线仿真电压驻波比

图11 天线仿真极化端口隔离度

图12 天线样机照片

由图13和图14实测结果可见，在所要求的工作频段内，天线垂直极化端口电压驻波比最大1.3，水平极化端口电压驻波比最大1.8，两极化端口隔离度优于50dB。实测结果与仿真结果略有差异，主要是由于加工精度、测试环境等随机因素引起的。

图13 天线实测电压驻波比

图14 天线实测极化端口隔离度

在微波暗室远场条件下，对加工的天线样机辐射特性进行了实测。图15和图16为垂直极化端口(Port1)馈电时，即垂直极化俯仰面及方位面归一化方向图。

图15 垂直极化俯仰面归一化方向图

图17和图18为水平极化端口(Port2)馈电时，即水平极化俯仰面及方位面归一化方向图。而图19为天线正交双线极化的实测增益。

通过辐射特性实测结果可见，所设计的天线正交双线极化辐射方向图能够满足系统特定的波束覆盖空域要求。两种极化带内增益稳定，且轴向增益差不超过0.5dB。因此，所设计的天线具有优良的辐射性能。

图16 垂直极化方位面归一化方向图

图17 水平极化俯仰面归一化方向图

图18 水平极化方位面归一化方向图

3 结论

图19 天线实测增益

本文介绍了一种可用于X波段机载雷达干扰机系统的喇叭天线，该天线具有X波段全频段的正交双线极化特性。设计中提出了一种基于对称五端口分支形式的正交模耦合器，有效地保证了电气性能。结构设计上，采用了金属波导形式并在局部做了加强，提高了天线的环境适应性。在理论分析与仿真设计的基础上，加工了天线工程样机并进行了试验验证工作。验证试验结果表明，所设计的天线具有优良电气与结构特性，可用于机载雷达干扰机系统。

［1］ 王星.航空电子对抗原理［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［2］王洪迅，卢楠，王红卫等.有源无源复合干扰机理与效能分析［J］.火力与指挥控制.2012，37(6):43-46.

［3］王峰.转发式弹载干扰机对抗技术研究［J］.中国电子科学研究院学报.2012，7(4):423-426.

［4］Pisan G.，Pietranera L.A Broadband WR10 Turnstile Junction Ortho-mode Transducer［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters.2007，17(4):286-288.

［5］王宏建，刘和光，范斌等.正交模耦合器的优化设计与分析［J］.兵工学报.2009，30(5):613-616.