一种Ka频段单脉冲馈源的设计

阮云国，邓智勇

(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

雷达主要应用在军事领域，但近年因其在生物和气象领域的应用前景，正逐渐被关注。雷达的核心功能是探测和目标定位，所以跟踪功能是衡量雷达性能的重要指标，为了寻求较高的跟踪精度，雷达多采用单脉冲跟踪，这种跟踪方式与圆锥扫描跟踪、指向跟踪相比具有更高的跟踪精度。

雷达天线有多种形式，但同时具有高增益、低副瓣、单脉冲跟踪、多频段工作特点的，只有反射面天线[1-2]。近年来,国内低频段的雷达反射面天线技术较为成熟，而毫米波波段的雷达天线技术成果则相对较少，因此进行相关研究工作具有重要意义。反射面天线的核心是馈源，它决定了天线的电性能，因此反射面雷达天线的研究主要集中在对馈源的研究。文献[1]对一种四喇叭形式单脉冲馈源的原理及馈电结构进行了研究，并对和、差增益的影响要素进行了理论分析。文献[2-3]提出了一种工作在6 GHz的五喇叭馈源，该馈源通过对和、差之路相位进行处理，来改善馈源的口径场分布，从而降低单脉冲天线的副瓣电平。通过对国内外研究现状分析发现，目前国内外研究的多喇叭单脉冲馈源多在Ka频段以下，且主要针对天线的低副瓣、高效率和高功率进行研究，很少对天线如何提高差增益给出解决方案[4-8]，本文针对此进行了相关研究。

为了实现一部2.4 m X/Ku/Ka三频段全极化雷达天线在Ka频段具有高和、差增益、低副瓣、单脉冲跟踪特性，设计了一种Ka频段全极化单脉冲馈源，该馈源系统由组合喇叭与馈电网络组成。其中，组合喇叭为5个介质加载方波导喇叭和4个辅助喇叭，馈源的和通道是水平极化和垂直极化同时输出，差通道是方位差和俯仰差同时输出。通过采用介质加载和辅助喇叭技术，该单脉冲馈源的照射电平、差增益和差零深等性能得到显著改善。

1 单脉冲原理分析

在反射面天线中，单脉冲馈源的相位中心一般置于反射面的焦点上，当天线对准目标时，差波束的零点也正好对准目标，此时各个喇叭收到的能量相等，不产生误差信号，如果目标离开轴线，即目标偏离差波束零点，此时各个喇叭中的能量就会不平衡，敏感器件就会给出误差信号，雷达通过比较各个喇叭中激起的回波信号幅度来检测目标的位移[4-5]。

单脉冲馈源有多种形式，常用的是四喇叭与五喇叭模式，其中四喇叭馈源的和模口径尺寸与差模口径尺寸是相等的，馈源的差模波束宽度会远大于和模波束宽度，所以和、差增益无法同时达到最大。而五喇叭单脉冲，由于提供和波束与差波束的不是同一个喇叭，可以分别控制和模与差模的激励，使和方向图的增益与差方向图的增益同时达到最佳[9-13]。

五喇叭馈源通常由中心喇叭作为和通道，其周围的4个喇叭作为差通道，上下2个喇叭形成俯仰差，左右2个喇叭形成方位差。和模方向图由中间喇叭产生，其口径场在E面是均匀分布，在H面是余弦分布，因此其和模的初级波瓣函数f∑(ψ,ζ)与波导辐射器相同[3]，即：

式中，a为方喇叭尺寸；λ为波长；ψ为波束偏离最大辐射方向的夹角；ζ为波束所在平面方位角。

方位差由左右2个喇叭提供，可以看成一个二元阵，因此初级方位差波瓣函数为：

俯仰差由上下2个喇叭提供，同理于方位差，可得其初级差波瓣函数：

按照上式，进一步可以得到和、差模的次级方向图，进而可以计算和、差增益与差斜率。差斜率Δ0由下式给出：

式中，G0=(4π/λ2)AB,λ为波长,A,B为模喇叭的孔径尺寸。

从上述分析可以得出，和模与差模同时达到最佳照射时，不能共口径，因此要想和、差增益和差斜率都达到最优，只有五喇叭馈源方案是可行的。

2 单脉冲馈源的设计

单脉冲馈源系统的原理框图如图1所示，位于前端的是介质加载方喇叭组合，其中喇叭是由介质锥和方波导所组成。位于中间的喇叭提供和信号，紧贴着中间喇叭的4个喇叭提供方位差信号和俯仰差信号。组合喇叭结构如图2所示。从图2可以看出,参与辐射的是9个喇叭，但其最外围的4个喇叭是不进行馈电的，只起改善辐射特性的作用，实质上仍然是五喇叭形式。由于五喇叭单脉冲馈源的和模与差模不共口径，可以分别控制和模与差模的激励，因此其天线方向图的和、差增益与差斜率可以同时达到最优。

图1 单脉冲馈源原理框图Fig.1 Block diagram of the monopulse feed

馈源的馈电网络由波导和差分离器、正交模耦合器、介质空气波导转换以及连接波导所组成。馈电网络核心部件是波导和差分离器，结构如图3所示，其功能是实现组合喇叭输出的五路信号空间分离，波导和差分离器入口为5个方波导，输出口是四路矩形波导和一路方波导，其中四路矩形波导中的平行两路通过连接波导与魔T分别形成方位差信号和俯仰差信号，而方波导输出口通过空气介质波导过渡、正交模耦合器形成和信号的水平和垂直极化信号[14-16]。

图3 波导和差分离器Fig.3 Sum-difference separator

组合喇叭由于空间排布非常紧凑，横向无法进行和、差馈电网络排布，因此需将各分支波导进行空间分离。解决此问题，需要一个过渡转换，将介质波导转换为空气波导，根据传输线原理[6]，给出了如图4所示的结构，该结构的输入端是介质加载波导，输出端是空气波导，中间部分是一个渐变的介质锥与方波导腔过渡组合体，通过优化介质锥的长度与截面尺寸，可实现该器件驻波匹配。

图4 介质波导空气波导转换器Fig.4 Transformer of the dielectric-loaded waveguide

利用全波分析软件建立仿真模型，仿真模型如图4所示，设定端口驻波为优化目标，对其进行优化，优化结果如图5所示,结果显示驻波在全频段小于1.12∶1，满足应用要求。

天线的口面场分布是影响天线副瓣电平的重要因素。通常情况是口面场分布越均匀，天线方向图的副瓣电平越高；反之，边缘照射电平越低，天线方向图的副瓣也越低。因此在馈源的设计过程中，合理选择馈源对反射面边缘的照射电平尤为重要。根据反射面天线初级馈源设计原理，当需要和、差模最佳激励时，和、差模喇叭的边缘照射电平要控制在-10～-16 dB为佳，此时天线效率和副瓣电平都能兼顾。但五喇叭馈源的和、差方向图本身就是一个矛盾体，当和方向图照射电平较理想时，差方向图会由于拼阵间距过大，照射电平降低太多，甚至出现栅瓣[17-18]，因此需要找一个都能兼顾的方法。

图5 转换器驻波仿真结果Fig.5 Simulated VSWR of the transformer

根据辐射原理，形成方位差的左右喇叭或形成俯仰差的上下喇叭，都等效引入了阵因子，如果能使阵因子变大，则馈源的差方向图波束宽度就会变窄，可以提高差增益和差斜率。对于增大阵因子的方法，选择在喇叭中进行介质加载，通过使阵间距减小，实现了阵因子增大。按此方法，可以获得比较理想的馈源方向图，一组优化后的结果如图6所示。

图6 馈源归一化方向图仿真结果Fig.6 Simulation result of the monopulse feed normalized patterns

由图6可以看出，馈源网络在-70°～+70°的照射角内，边缘照射电平为-12～-16 dB，和差峰值矛盾为-2 dB，差零深低于-35 dB，结果均能满足使用要求。

3 馈源网络的工艺结构设计

当微波器件工作频段较高时，工艺结构就变得尤为重要，通常做法是仿真阶段就加入结构工艺设计[19]。从结构上看，本馈源的关键部件是组合喇叭与波导和差分离器，结构如图2和图3所示。组合喇叭内腔尺寸为4.218 mm×4.218 mm，长度为80 mm，结构是多个薄壁喇叭的组合体，为保证波导腔的尺寸精度，加工时先利用高精度线切割机床，将内腔整体加工出来，然后再与加载介质进行装配。由于选用的介质材料是介电常数为2.63的聚四氟乙烯，材料较软，易变形，因此加工时要做好工装，以保证装配后介质与波导腔紧密接触，且使其始终置于波导腔的中心轴位置。

波导和差分离器腔体结构复杂，将其拆分为上下腔体两部分，每一部分都利用高精度数控铣床进行铣削加工，尺寸公差控制在0.01 mm以内，表面光洁度控制在0.008 mm以内。另外,为了上下腔体装配时能精准定位，零件配置了高精度定位销。

4 馈源的测试与分析

多喇叭单脉冲馈源按照最终优化参数进行了样机加工，实物如图7所示，装配调试完成后，使用网络分析仪对馈源网络的驻波进行了测试，使用微波暗室对馈源的方向图进行了测试[20]。驻波测试结果如图8所示，方向图测试结果如图9所示。

图7 多喇叭单脉冲馈源实物Fig.7 Engineering model of the fabricated multi-horn monopulse feed

图8 单脉冲馈源驻波测试结果Fig.8 Measured VSWR of the monopulse feed

图9 单脉冲馈源归一化方向图测试结果Fig.9 Measured normalized patterns of the monopulse feed

由图8可以看出，馈源在整个使用频段内驻波小于1.4，虽满足技术要求，但与仿真结果相比有一定的恶化。经分析，应是装配过程中存在电接触不良的情况，导致部件之间的连接产生失配，组装之后增加了反射点，整体驻波出现恶化。

由图9可以看出，馈源在-70°～+70°的照射角内，和方向图照射电平在-12～-14 dB，与仿真结果基本符合，差方向图测试结果显示，和、差峰值矛盾为-1.9 dB，差零深约-32 dB，和、差峰值矛盾与仿真结果符合较好，但差零深有一定偏差。为分析差零深恶化的原因，构建了合成相位偏差与差零深关联的仿真模型,仿真结果如图10所示。通过仿真结果可以看到，当2路相位差从1°变化到4°时，差零深会恶化6 dB，因此可以确定合成通道的相位不一致是导致差方向图恶化的主要原因。

图10 合成相位对差零深影响仿真结果Fig.10 Simulation result of the effect of combined phase difference on the null depth of the differential beam

5 结束语

本文详细介绍了一种介质加载多喇叭组合单脉冲馈源，该馈源利用方波导中加载介质与外围布置辅助喇叭的方法，有效地提高了和、差峰值矛盾，改善了馈源的辐射特性。馈源样机实测结果显示，实测数据和仿真计算数据基本吻合，说明本文采用的设计方法是可行和有效的。