一种低轮廓赋形反射面天线设计方法

陈文俊

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种低轮廓赋形反射面天线设计方法

陈文俊

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

详细介绍了易于工程实现的赋形反射面天线设计方法。提出了一种俯仰面方向图预调技术。该技术可以通过预先调整目标方向图，有效弥补了传统方法设计出来的赋形反射面天线高仰角增益偏小的不足。同时，通过对反射面进行椭圆切割，在性能指标满足要求的条件下降低了天线尺寸、质量。

雷达；反射面天线；赋形；方向图预调；切割

Abstract: A method to design the shaped reflector antenna is introduced in detail, which can be easily applied in practice. The pre-compensation pattern technique in elevation is proposed, with which the target pattern is pre-adjusted to effectively compensate for the gain of high elevation angle compared to the conventional methods. Moreover, in the case of meeting the technical requirements, the antenna size and weight are reduced through elliptical cutting of the reflector.

Keywords: radar; reflector antenna; shaped beam; pre-compensation pattern; cutting

0 引 言

赋形反射面天线可以通过机械旋转实现方位面360°覆盖。俯仰面由波束赋形实现特定覆盖，从而保证雷达同时对空中和海面搜索。赋形反射面的设计通常是依据能量守恒定律和几何光学的反射定律确定中截线，再选取具有聚焦特性的条带，二者一起构成双弯曲反射面。

国内外学者和工程技术人员从反射面的一般综合理论[1-2]、中截线设计[3]、条带选择[4]到反射面的具体实现方式等方面对赋形反射面天线进行了详细的研究。但是，由于计算中截线时用的是功率方向图，没有考虑相位的影响，因此无论哪种方法综合出来的反射面天线方向图与实际要求的都有一定差别。要使设计出来的俯仰面方向图与实际要求充分接近，必须扩大反射面纵向物理尺寸，让边缘照射电平足够小。小型舰艇上装载赋形反射面天线，则要求天线质量轻、风载荷小。本文以某型X波段反射面天线为例，给出了一种低轮廓赋形反射面设计方法。

2 赋形反射面设计方法

2.1 反射面基本参数选择

图1为反射面基本参数关系示意图。天线反射面宽度W可由水平面3 dB波束宽度θa与W关系的估算[5]：

(1)

俯仰面主波束的3 dB波束宽度θe主要取决于反射面中截线的上半部分。上半部分高度Du的估算公式为

(2)

综合考虑反射面的焦径比、口面尺寸以及ψ2+|ψ1|>40°的限制，ψ2、ψ1为反射面中截线上、下张角，选择ψ2=35°,ψ1=-15°。

图1 反射面基本尺寸示意图

2.2 俯仰方向图预调技术

俯仰面方向图可以用下列公式[6]拟合：

图2 拟合的理论方向图

俯仰面方向图的主波束宽度主要由赋形反射面的上半部分即Du对应的部分决定，下半部分对高仰角波束形状起重要作用。要使高仰角波束平滑，则应加大下半部分尺寸Dd。为了减小反射面尺寸，在不加大Dd的情况下，可通过俯仰面方向图预调技术修改俯仰面目标方向图。本文设计的天线预调后的方向图如图3 所示。采用该预调方向图设计中截线可使最终设计的反射面符合要求。

2.3 中截线设计

双弯曲反射面天线设计的重点是确定中截线。中截线的形状决定了天线俯仰面的波束形状。根据能量守恒定律和反射定律，可得到计算中截线的公式如下：

图3 预调后的俯仰面方向图

(4)

(5)

其中，P(ψ)为初级馈源的俯仰面功率方向图，F(θ)为次级俯仰面的功率方向图(图3表示的方向图)。公式中的角度关系如图4所示。r=ρ/ρ2，r≤1，ρ2为焦点到中截线最上端距离。联立式(4)、(5)，一般可取dψ=0.2°，dθ=0.01°迭代求解。当求解过程收敛时，求出的r、θ、ψ即为中截线。

2.4 反射面切割技术

天线在方位面为窄波束。从天线反射出去的射线必须为平行射线，因此应在抛物面上截取条带。常见的条带包括仰角带、水平带和焦点带。本文选取焦点带，条带方程选取的坐标系如图4所示。

图4 中截线计算的坐标系及角度关系

焦点带方程为

(6)

其中

(7)

将中截线坐标与条带方程结合就可以求出整个反射面坐标。为了减小天线的质量和风阻，以w为长轴、h=Du+Dd为短轴，对设计出来的反射面进行椭圆切割，其在XY面投影如图1所示。

3 实验结果

采用上述方法设计出来的双弯曲反射天线，用FEKO软件进行了仿真，并对加工实物进行了测试。图5、6分别为仿真与实测的中心频率方位面、俯仰面方向图。仿真和测量结果对比表明，天线方位面副瓣小于-30 dB，俯仰面覆盖超过了45°，各项指标符合设计要求。

图5 中心频率方位面方向图

图6 中心频率俯仰面方向图

4 结束语

在给出赋形双弯曲反射面设计的详细流程和方法的基础上，本文采用俯仰面方向图预调技术，在反射面高度尺寸受限的条件下保证了俯仰面方向图高仰角的覆盖符合要求。该技术与反射面投影椭圆切割相结合，降低了反射面轮廓，有效地减小了天线的尺寸、质量。实验结果表明，本文的设计方法可行。

[1] 林世明. 赋形波束双弯曲反射器天线理论研究[J]. 电子学报，1981(4):55-66.

[2] Yahya Rahmat-samii, Victor Galindo-Isralel. Shaped reflector antenna analysis using the Jacobi-Bessel series[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation,1980(4):28-34.

[3] 马静闲. 双弯赋形反射面天线中截线的设计[J]. 火控雷达技术，1986(1):14-20.

[4] 项永华. 双弯曲赋形反射面天线的外形选择[J]. 舰船电子对抗，2005(1):37-39.

[5] 黄炽标，李振平. S波段目标搜索雷达双弯曲反射面超余割平方低副瓣天线的研制[J].电子学报，1997(6)：33-50.

[6] 张祖稷，金林，束咸荣. 雷达天线技术[M].北京：电子工业出版社，2005.11：108-110.

A design method of low-profile shaped reflector antenna

CHEN Wen-jun

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN823.27

A

1009-0401(2017)03-0040-03

2017-07-28

陈文俊(1970-)，男，研究员，博士，研究方向：天线系统设计。