X波段双口双模单脉冲雷达馈源的分析与设计

周增广，王 建，邵 凯，汪 波

(1.电子科技大学电子工程学院， 成都611731;2.四川电子军工集团研究院， 成都611731)

0 引言

对单脉冲体制的雷达而言，天线的性能直接决定着该雷达的测角精度和跟踪精度，而馈源又是天线的重要组成部分［1］，其特性决定了单脉冲天线的性能指标。馈源的作用是产生和、差波束，用于跟踪系统，其基本原理是利用和波束探测目标的距离与进行距离跟踪，利用差波束探测目标的方位角与俯仰角信息进行角跟踪［2］。利用多模馈源可以有效地解决单脉冲天线的和差矛盾，使天线的照射效率和泄露效率同时有所改善。多模馈源有很多种形式，较常见的有七模馈源、五模馈源、四模馈源、三模馈源。文献［3］设计了一种带宽为10%的X波段单脉冲雷达馈源，具体分析了其工作原理，并给出了仿真结果以及实测结果;文献［4］从理论上更加详细地描述了和、差(俯仰差、方位差)波束在馈源中形成的具体过程;文献［5］介绍了一种设计X波段多模馈源的方法，采用多种魔T形成和差网络，具有零值深、零点漂移小、隔离度高、驻波系数低的特点;文献［6］设计了一种多喇叭多模馈源，给出了设计馈源的具体方法，对相位中心问题进行了讨论，将计算得到的远场方向图与测量结果进行了对比。

极化扭转天线是从21世纪30年代开始出现和发展起来的，利用双层栅网在天线主反射器上实现极化扭转，不但可以减小口径遮挡，而且能使天线结构更加紧凑，质量更小。多频段工作是增强雷达抗干扰能力的有效措施之一，要在卡塞格伦天线上实现双波段工作，合理地选择馈电方式是关键。采用双波段极化扭转技术，不仅简化了支撑结构，减轻质量，而且还可以大大减小两个波段的口径遮挡。针对双频段极化扭转卡塞格伦天线，本文提出了双口双模单脉冲雷达馈源，采用后馈电方式。此馈源具有结构紧凑、馈电简单、工作频带宽、零值深、隔离度高、易于实现等优点，可更好地改善天线的和差矛盾，提高天线的效率。仿真结果表明，和通道驻波小于1.8，E面差通道、H面差通道驻波均小于2，且和通道、差通道之间隔离度都在40 dB以上。

1 馈源的工作原理及设计方法

1.1 馈源的工作原理

单脉冲雷达馈源主要由主波导、次波导、过渡段、和差比较器、检测波导、隔离板组成，其中和差比较器及过渡段中的矩形波导均采用代号为WR-90(22.86 mm ×10.16 mm)的标准矩形波导，如图1所示。

图1 双口双模单脉冲雷达馈源

单脉冲天线馈源可以看成是同一口径、工作在三种不同状态的三个独立天线。由于口径相同而分布不同，通常是不能得到同样波瓣宽度的。对这样一个口径来说，要得到同样波瓣宽度，三个工作状态必须有不同的面积利用系数，多模馈源就是在波导中采用多个传输模，并控制这些模的幅度和相位，达到此目的。多模馈源中所用波形，就是在波导中引入不连续性产生的。在此馈源中，当天线接收到的回波信号到达馈源矩形喇叭口时，将在矩形喇叭口激励起TE10模和TE20模，TE10模经过主波导、次波导以及过渡段到达和差比较器中的E面折迭魔T，相加后从和通道输出得到和信号，相减后从E面差通道输出得到E面差信号，TE20模进入和差比较器后在H面折迭魔T的E臂激励出H差信号，用E面折叠魔T将上下两个H面折迭魔T产生的H差信号同相相加后从H面差通道输出得到H面差信号。

1.2 馈源的设计

图2a)为主波导与隔离板正视图，主波导中矩形喇叭尺寸的设计，应该做到只允许传输TE10模和TE20模，再根据仿真优化，最终得出矩形喇叭的尺寸为43.3 mm×6.4 mm。隔离板的作用主要是减少两个矩形辐射口的相互影响。为了减少隔离板对Ka波段两个辐射口的影响，在隔离板中间开了两个长方体槽，尺寸为:L1×d1×w(17.9 mm ×4.2 mm ×1 mm)、L2×d2×w(15 mm×2.5 mm×1 mm)，其中，w为隔离板中间部分的厚度，隔离板的两端厚度为w1=3 mm，其两端到中间有台阶变化，以形成渐变。

主波导中有六个对称分布的短路器，短路器可以用来进行阻抗匹配和展宽带宽。本文对短路器的各项参数进行扫描优化，最后，得到正方形短路器的尺寸为8.4 mm ×8.4 mm(h1、h2、h3)，其中，h1为左下方与右下方两个正方形短路器的高度，h2为中间正方形短路器的高度，h3为左上方与右上方两个正方形短路器的高度，且h1=1.75 mm、h2=3.1 mm、h3=3.2 mm，长方形短路器的尺寸为17.3 mm×3.1 mm×4.2 mm。

图2 馈源各部分模型图

图2b)为过渡段与检测波导正视图，考虑到Ka波段的馈源也要嵌入到X波段馈源中。所以，模型利用了波导过渡段，先增大过渡段四根波导之间的间距，在馈源中间形成比较大的空间以容纳Ka波段馈源，然后四根波导逐渐往中间收拢。Ka波段馈源形式跟X波段馈源大同小异，其采用标准矩形波导WR-28(7.11 mm×3.56 mm)作为标准波导口，同时也构建出主波导、次波导、和差比较器，最后嵌入到X波段馈源中。图中各参数的值为L4=148.1 mm、L5=13 mm、L6=11 mm、L7=11.8 mm、L8=11.8 mm、d4=19.86 mm、a=22.86 mm。检测波导与过段段中的一根波导开了三个圆孔，大圆孔的半径为3.5 mm，小圆孔的半径为2.3 mm。检测波导的作用是检测整个系统信号是否正常工作。

图2c)为和差比较器网络，比较器由两个E面折叠魔T、两个H面折叠魔T以及两个E面弯波导组成，各个端口的尺寸为波导标准尺寸，即a×b(22.86 mm×10.16 mm)。

2 馈源的辐射特性分析

2.1 矩形口径场分析

对于本文提出的馈源，其辐射口径面为对称的两个矩形平面，现用口径面为xy面的口径天线来分析其辐射特性。根据图3所示，可推导出矩形口径天线的远场公式为

图3 矩形口径及坐标系

2.2 口径场分布及其方向图分析

图4为双口双模馈源三种波束的口径场分布。

图4 双口双模馈源三种波束的口径场分布

2.2.1 和状态下馈源的口径场

图4a)为和状态下馈源的口径场分布，其表达式为

2.2.2 E面差状态下馈源的口径场

图4b)为E面差状态下馈源的口径场分布，其表达式为

2.2.3 H面差状态下馈源的口径场

图4c)为H面差状态下馈源的口径场分布，其表达式为

3 结果分析

3.1 驻波与隔离度

为了改善馈源的驻波，增加驻波带宽，在E面折叠魔T与H面折叠魔T的适当位置都加有膜片、渐变台阶、切角，改善每一个折叠魔T的驻波，利用隔板增加折叠魔T端口间的隔离度，改善和差比较器的驻波与隔离度。同时，在馈源主波导与次波导中加有渐变波导、方形柱以改善驻波。经过仿真优化，最终得到馈源整体仿真结果如图5所示，实测结果如图6所示。由图5a)可知，在工作频率范围内，和通道、E面差通道、H面差通道的驻波均小于2，其中，E面差通道驻波为1.7，和通道驻波为1.8，H面差通道驻波为2，带宽达到21%。由图5b)可知，和通道与E面差通道、H面差通道的隔离度都在40 dB以上。

图6为馈源三个通道的实测驻波曲线，由图可知，在工作频带内，和通道的驻波在1.776以下，E面差通道的驻波在2.15以下，H面差通道的驻波在1.932以下，实测驻波带宽约为20%(VSWR≤2)，因此，实测结果与仿真结果吻合良好。为了进一步改善驻波，可再采用一些膜片、销钉、圆台、渐变台阶波导进行匹配，并对相关参数进行优化扫描。

图5 驻波隔离度仿真结果

图6 实测驻波曲线

图7为实测隔离度曲线，由图可知，和通道与E面差通道之间的隔离度在31 dB以上，和通道与H面差通道之间的隔离度在37 dB以上。

图7 实测隔离曲线

3.2 远场辐射方向图

图8、图9、图10分别为此馈源在下边频(f=f0-Δf)、中心频率(f0)、上边频(f0+Δf)时远场辐射方向图的仿真结果与理论计算结果对比。由于进行实测时，此馈源与极化扭转卡塞格伦天线一起测试的，得到的远场辐射方向图为次级远场辐射方向图，并未对馈源的远场辐射方向图(初级远场辐射方向图)进行单独测量，所以，文中只给出初级远场辐射方向图的仿真结果与理论计算结果。

图8 下边频(f=f0-Δf)远场辐射方向图

图9 中心频率(f=f0)远场辐射方向图

图10 上边频(f=f0+Δf)远场辐射方向图

对于和方向图，在E面(φ=0°)和H面(φ=90°)均可得到远场方向图曲线。对于差方向图，由于有一个平面对应的是交叉极化，所以差方向图只涉及一个平面。由图8、图9、图10可知，在仿真频带内，E面和、差方向图中仿真结果与理论结果吻合良好，H面和、差方向图中仿真结果与理论结果在-40°≤θ≤40°角度范围内吻合良好，满足设计要求。由于两个辐射口之间的互耦影响，且矩形喇叭口边缘存在绕射，远场方向图的理论结果与仿真结果必然会存在差异，θ角偏大，理论结果与仿真结果的偏差必然越大。整体看来，远场辐射方向图在整个频带内效果良好，和方向图接近旋转对称，符合变形卡塞格伦天线照射要求。差方向图零深都在-40 dB以下，符合馈源设计要求。

4 结束语

本文提出了一种X波段双口双模单脉冲雷达馈源，首先阐述了馈源的工作原理，介绍了馈源各部分器件的设计过程，然后从理论上推导了其远场辐射方向图的完整解析表达式。经过仿真优化，加工出馈源实物并进行测量，实测结果与仿真结果一致性较好，各项指标满足单脉冲馈源的要求。这种馈源的优点就是有较宽的带宽(约为20%)，和通道驻波小，差方向图有很低的零深，适用于极化扭转卡塞格伦天线。

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