一种宽频带双圆极化单脉冲自跟踪馈源设计

闫 丰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

自跟踪天线应用广泛，主要用来实现测角、测距、跟踪等功能[1]，自跟踪天线的主要实现型式有相控阵天线[2]、单脉冲天线[3,4]、圆锥扫描天线[5,6]等形式。上述传统型式的自跟踪天线频带宽度约20%，无法实现宽频带跟踪。

电子侦测系统主要用于实现对运动目标的跟踪、侦察，对于目标的极化方式、运动轨迹、工作频段等信息均是未知的，因此需要研制宽频带多极化的天线系统与之相适应，宽带自跟踪馈源是天线系统的核心与关键技术。

针对上述问题，本文介绍了一种宽带双圆极化单脉冲自跟踪馈源的设计方案，馈源采用六单元对数周期单极子型式从而实现宽频带特性，波束形成网络可形成左右旋圆极化和信号与差信号，从而实现宽带单脉冲自跟踪，实测结果验证了设计方案的可行性。

1 组成与工作原理

单脉冲自跟踪馈源包括六单元对数周期圆形阵照射器和波束形成网络两部分，图1为其原理框图。照射器接收到电磁波信号后，六路信号经波束形成网络可实现左、右旋圆极化和、差共计4路信号的输出，输出的信号经单脉冲跟踪接收机便可实现单脉冲跟踪。

图1 单脉冲自跟踪馈源原理框图

图2 单片阵子仿真模型

2 辐射器设计

照射器采用六单元对数周期圆形阵的型式，如图1左图所示，照射器六个单元成锥形排布，关于旋转轴Z轴对称分别，相邻的单元之间空间夹角为60°。单元采用单极折合对周馈源，如图2所示，该单元由N根折合振子周期性的平行排列在集合线上构成，是经典的非频变天线形式之一。可以在很宽的频带内获得几乎不变的阻抗、方向图和增益值，具有十分优良的宽频带特性。馈电线和天线在一个印制板上，馈电线可从金属反射板下方引出。

3 波束形成网络设计

图3为波束形成网络的原理框图，波束形成网络包括3dB 180°电桥、90°差分移相器、3dB 90°电桥、4.77dB 90°电桥等器件。

3dB 180°电桥：图4为其示意图，用于实现两路输入信号的和与差。幅相关系为如下：Σ口为IN1功率1/2，相位0°，IN2功率1/2，相位180°；Δ口：IN1功率1/2，相位0°；IN2功率1/2，相位0°。

图3 波束形成网络原理框图

图4 3dB 180°电桥示意图

90°差分移相器：图中的0°、90°加工在一起即为90°移相器，两者是分离的两个印制板，如图5所示。信号经左侧印制板传输后，移相量为Ф(f)，经右侧印制板移相后，移相量为Ф(f)+90°，功率值不变。

图5 90°差分移相器

3dB 90°电桥：交叉通道移向90°、直通通道不移相，功率值均为1/2；

4.77dB 90°电桥：原理结构与3dB电桥一致，仅耦合量不同。交叉通道移向90°，功率为1/3；直通通道不移相，功率值为2/3；

设各单元接收的信号为Ei(i=1，2，3，4，5，6)，∑R、∑L、ΔR、ΔL四个端口接收的信号强度为各单元阵子的1/6，相位关系值见表1，由表1可看出右旋和端口各阵子间相位差为+60°，左旋和端口各阵子间相位差为-60°，右旋差端口各阵子间相位差为-120°，左旋差端口各阵子间相位差为+120°。

表1 馈源各端口与阵子间相位关系表

以E2→∑L为例，推导幅度相位关系：

通道1：相位180°+90°+0°+90°+90°=90°，幅度1/2×1×1/2×1/3×1/2=1/24；

通道2：相位180°+90°+90°+0°=0°，幅度1/2×1×1/2×1/2=1/8。

合成相位为：

其余各端口推导方法一样，这里不在详述。

4 测试结果

设计了一个跟踪频段2GHz～4GHz宽带单脉冲自跟踪馈源，跟踪带宽达到倍频程。

该馈源应用于某固定站9m前馈抛物面天线，天线系统安装调试完成后对同步卫星测试了天线和差方向图。图6为接收93.5°E卫星的天线和差方向图，信标频率2.2425GHz，右旋圆极化；图7为接收62°E卫星的天线和差方向图，信标频率3.9525GHz，右旋圆极化。

图6 天线和差方向图(93.5°E)

图7 天线和差方向图(62°E)

天线进行了多次跟星试验，跟踪卫星有HAIYANG 2A、HAIYANG 1B、FENGYUN 3B、HUANJING-1A、HUANJING-1B，天线跟踪性能良好，图8为跟踪锁定后的状态截图。

图8 天线跟踪锁定的状态截图

5 总结

本文给出了一种宽带双圆极化单脉冲自跟踪馈源设计方法，辐射器采用六单元对数周期圆形阵的型式可实现宽频带特性，波束合成网络可实现左右旋圆极化和差信号的生成。设计了一个跟踪频段2GHz～4GHz，倍频程的单脉冲自跟踪馈源 ，工程应用实例验证了该设计方法的正确性，天线系统自跟踪性能良好。

对数周期馈源可实现至少4倍频的带宽，但是受制于电桥、差分移相器的带宽，本文提出的波束形成网络仅可实现倍频程带宽跟踪。为了实现更宽的频带，如4倍频以上，可在波束形成网络前可增加分波器，将宽频段分成多个倍频程频段，各自倍频程内的波束合成网络采用本文提出的方案，即可实现更宽的跟踪频段。

[1] 胡体玲,李兴国,等. 单脉冲探测技术的发展综述[J].现代雷达，2006，28(12)：24-29.

[2] 刘键.相控阵天线系统的研究与设计[D].西安电子科技大学,2014.

[3] 刘伟.Ka波段圆极化单脉冲天线[D].电子科技大学,2008.

[4] 刘昊，孙向珍，张凤林,等.X波段宽带单通道单脉冲双圆极化自跟踪天馈系统的研究[J].遥测遥控,2007,28(增刊):163-167.

[5] 王俊义.一种宽带圆锥扫描新技术[J].无线电通信技术，1998，24(2)：33-35.

[6] 赵来定，李锐，谢继东.一种圆锥扫描跟踪技术[J].南京邮电大学学报，2010，30(4)：84-89.