一种双极化倒卡天线的设计与应用

赵宏亮

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

1 概述

为了提高雷达的抗干扰能力，改善现役低分辨率雷达抗干扰能力低的缺陷，通过将现有雷达进行双极化改进以增加雷达对目标极化域特征的提取，完善雷达在现有体制情况下的目标识别功能，增强雷达对目标的识别能力和对抗角反射体的能力，提高雷达对抗箔条干扰和有源干扰的能力。

2 设计目标

为了提高雷达抗干扰能力，在现有单极化倒卡天线基础上提出双极化倒卡天线技术（要求对抗干扰成功率大于80%以上）。双极化倒卡天线可以在水平极化和垂直极化域连续变极化，通过改变极化方式来应对不同样式的干扰，增强雷达导引头目标检测、目标识别、抗干扰、反辐射、反隐身等能力，提高导弹在复杂电磁环境下的的突防能力；使用目标的极化信息，为雷达识别岸舰提供新的途径，具有非常大的潜在市场需求。

双极化倒卡天线为适应变极化的特点，并且保留倒卡天线技术的成熟性和对现有雷达改动最小。要求双极化倒卡天线，上下布局，即上下各是一部完整的天线系统，由各自的主、副反射体和馈源构成。对现有雷达天线改进后天线增益损失很小，副瓣变化小，天线方向图、波束宽度等指标可以维持在原有水平。

3 双极化倒卡天线技术及设计

3.1 双极化倒卡天线技术

倒卡天线是反射面天线的一种，主反射面和副反射面采用特殊材料敷以金属丝和金属网制成，它将入射于反射面上的电磁波按设计进行反射（如图1所示）。

双极化倒卡天线技术是把两个倒卡天线通过合理的结构设计巧妙地组合在一起，而且两个倒卡天线的极化方向相互垂直正交，完成天线结构和电性能的一体化设计。

3.2 双极化倒卡天线组成

双极化倒卡天线是在单极化倒卡天线的基础上研制而成的新型天线形式。极化方式为水平极化和垂直极化，上天线为垂直极化天线，下天线为水平极化天线。

双极化倒卡天线由主反射体 （共用极化扭转板）、副反射体（两组抛物面）、水平馈源、垂直馈源、天线底座等组成。

3.3 双极化倒卡天线副反射体设计

1）双极化倒卡天线口径计算，确定抛物面直径D0。根据总体给定天线增益G值，计算抛物面直径D0可按下式：

2）双极化倒卡天线主反射面直径D1的确定（如图2所示）。假定总体要求主反射面的搜索电角为±2θ，根据图1的几何关系可推导出搜索机械角为搜索电角的1/2，即搜索机械角为±θ。

图1 倒卡天线原理示意图

图2 双极化倒卡天线口径计算示意图

主反射面的直径D1理论计算如下：

从上式可得知主反射面的直径较天线口径大，但在实际工程应用中，为减少绕射效应及后向辐射，主反射面的实际直径比理论计算值稍大。根据工作经验一般取 D1=D0/COSθ+（6～15mm）。

3）双极化倒卡天线抛物面焦距f的确定。由抛物面的焦距与口径之比f/D0=i得f=i×D0(i=0.25～0.5)；根据多年实际工作经验，倒卡天线i取（0.35～0.45）。

4)双极化倒卡天线副反射体设计。(1)根据天线口径和焦距的确定，由抛物线方程X2+Y2=4fZ可得曲面方程。双极化倒卡天线副反射面由抛物线X2=4fZ旋转而成。（2）材料选用重量轻、刚性好、强度高、透波率高的六角蜂窝，正六边形边长根据工作经验推荐优先选取：Ka波为3mm；Ku波为3.67mm；X波为5mm等。（3）抛物面中间夹衬厚度的确定。如果三层结构的两个表皮层的相对介电常数与厚度分别是εs、ds，夹心的相对介电常数是 εc，抛物面中间夹衬厚度就是：

（4）副反射面的布线（金属丝）：抛物面内表面嵌有波长是密间距（S=λ/8～λ/10）的金属导线。 （5）根据以上数据，设计出双极化倒卡天线副反射体结构（如图3所示）。

图3 双极化倒卡天线副反射体图

3.4 双极化天线主反射面的设计

1）材料选用。双极化倒卡天线主反射体选用重量轻、刚性好、强度高、透波率高的六角蜂窝材料。

2）双极化倒卡天线主反射体（极化扭转板）理论。当极化扭转板前表皮层中的平行导线（金属丝）成45°嵌入时，入射波就被分解为与金属导线平行和垂直的两个等幅正交分量。入射于极化扭转板的电场强度矢量E入可分解为两个分量，分量E∥平行于金属导线被栅网反射；而分量E⊥却透过栅网继续向前传播，直到被金属铜网反射而又回到栅网面处。栅网与金属铜网的距离为λ/4。E⊥反与E⊥一去一来相位滞后180°，方向发生反转，E⊥反与E∥合成E反，E反比E入扭转了90°，电波极化由垂直极化变成了水平极化（如图4所示）。

3）根据以上理论设计出双极化倒卡天线主反射面（如图5所示）。

图4 双极化倒卡天线主反射体原理图

图5 双极化倒卡天线主反射体图

3.5 双极化倒卡天线主要技术指标

双极化倒卡天线设计完全满足雷达天线电性能要求，满足雷达的搜索、跟踪要求，满足导弹在各种恶劣环境情况下的正常飞行和突防攻击。

4 双极化倒卡天线的先进性

经过多次飞行试验，双极化倒卡天线雷达对抗箔条干扰的成功率从50%提高到90%以上，对抗角反射体的成功率从40%左右提高到80%以上。验证和突出了双极化倒卡天线在目标检测能力、抗干扰能力、目标识别能力等方面的先进性。

5 结论

双极化倒卡天线设计新颖、技术成熟、制造工艺稳定、性价比高、经济效益良好，是目前国内先进的雷达天线技术之一，值得推广使用。