李 勇，李文计

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.武警河北总队司令部，河北石家庄050051)

0 引言

飞行器在近空间飞行时，机体四周将形成一定厚度的电离气体层，称之为“等离子鞘套”。等离子鞘套的形成，使无线电波通过等离子体传播时引起衰减，严重时会造成无线电信号中断，此现象称为“黑障”。关于“黑障”技术问题的研究，国内外进行了大量的研究，目前公认最有效的解决途径是提高无线电波频率克服“黑障”。考虑到元器件的成熟度和设备成本，当前各国基本选择Ka频段作为工作频段［1-3］。

工作频段的提高导致测控系统天线设备的波束变窄，对于近地高动态目标的捕获将更加困难。所以，研究一种具有宽角波束覆盖的高性能测控天线是急需要解决的一个问题。多波束反射面天线单个波束可以实现较高的天线性能，同时产生的多个波束又可以覆盖更大的空域，实现宽角波束覆盖，是非常适合这一应用。本文设计了一种多波束天线，天线的基本性能要求如下:

① 工作频率:27～28.5 GHz;

②天线主波束增益≥57 dB(F0=28 GHz);

③ 波束覆盖范围:±1.5°;

④偏焦损失≤3 dB。

1 天线模型及参数设计

1.1 天线反射面设计

按照天线的工作频段和天线增益的要求，天线口径选择为3.7 m。考虑到将来工程实际中天线需要兼容S频段应用，天线形式确定为卡塞格伦形式。

3.7 m天线的主要参数如下:

天线主反射面直径:D=3 700 mm;

天线副反射面直径:d=900 mm;

抛物面焦距:F=1 480 mm;

照射副面半张角:θm=37°;

照射主面半张角:Ψm=64°。

1.2 馈源阵列设计

图1 多波束馈源布阵图

偏馈馈源采用隔板移相器实现圆极化，由于馈源排布密集，空间狭小，不能实现双极化。所以，根据应用需求保留右旋圆极化端口，另一个端口安装吸收负载实现匹配。对于此类紧密排列的波导辐射阵列，采用在辐射口面加装极化栅实现双圆极化也不失为一种可行的办法。但是极化栅的工作带宽一般较窄，如何设计极化栅的布置方式及相关尺寸实现较好性能，以及如何控制极化栅实现极化切换都是需要仔细研究的问题。由于这些问题不是本样机的主要验证方向，所以放在后续的研究中进行完善。

另外，互耦效应是阵列天线设计中需要考虑的一个问题，单元间的互耦会对阵列的性能产生影响，会引起单元的阻抗特性及辐射方向图的变化，尤其是对于密集布阵的馈源阵更需仔细研究。文献［5］中使用HFSS分析了喇叭阵列接收时的波束互耦情况。从分析结果来看用多喇叭阵列接收引起的S21参数的变化小于3.36，所以文献认为为采用波导辐射的多波束天线的互耦影响较小。

2 仿真结果

为了验证波束覆盖范围，利用物理光学算法对编号为1～7的7个馈源和中心波束的方向图进行了仿真，图2为天线方向图仿真结果。从计算结果来看，波束可以覆盖±1.6°位置，能够满足实现±1.5°波束覆盖的要求。而且偏焦波束与主波束的最大增益差为1.6 dB，符合偏焦损失≤3 dB的设计需求。

图2 方位面天线方向图

利用物理光学算法对每个馈源的三维方向图进行了仿真计算。用程序提取每个波束的增益等高线并投影到平面上。图3是5 dB波束宽度覆盖效果图。可以看出，多波束天线可以在±1.6°空域基本实现全覆盖。

图3 5 dB波束宽度覆盖示意图

天线波束隔离会对多波束天线的功能实现有较大影响。此天线的跟踪模式为开环引导加闭环跟踪模式。跟踪目标处于偏馈波束覆盖区域时，数据处理设备通过比较临近波束接收信号的强度确定信号最强波束的位置。然后，按照先前标定的波束相对位置关系，逐步引导天线的中心波束对准目标，在满足闭环条件时启动闭环跟踪，使天线稳定对准目标。采用此种跟踪模式后，某一个波束的旁瓣增益只要不高于临近波束对应点的增益就不会引起数据处理设备的误判。从图2的计算结果来看，所设计天线波束隔离满足此要求。

3 工程实现

利用3.7 m卡塞格伦天线和伺服控制系统搭建了Ka频段多波束天线原理样机，如图4所示。

图4 Ka频段多波束天线原理样机

对Ka频段多波束天线原理样机进行了测试，测试结果如表1所示。图5为方位面天线方向图测试结果，图形利用各波束接收的绝对电平绘制。

表1 Ka频段多波束天线测试结果

图5 Ka频段多波束天线测试方向图

各波束的方向图基本符合仿真结果，波束互耦影响不大，但是，各波束接收电平变化趋势与仿真结果有一定差别。为了消除射频信道对天线增益测试的影响，波束增益采用方向图法进行了核算，其核算公式为:

G=10 lg(27 000/［AZ3*EL3］);

式中:

AZ3——方位3 dB波束宽度(·);

EL3——俯仰3 dB波束宽度(·);

G——待测波束增益(dBi)。

增益的测试和仿真分析结果如图6所示。

图6 Ka频段多波束天线增益测试结果

从计算结果来看，考虑测试误差，波束增益的变化基本符合仿真结果。随后，对天线后端射频信道进行了测试发现各馈源对应的射频信道增益一致性不太好，导致测试结果产生了较大的偏差。综合来看，样机的各项性能满足设计预期。

此外，原理样机与数据处理分系统配合进行了高动态跟踪、跑车等相关验证试验，跟踪效果良好，达到了预期效果

4 结束语

通过原理样机的测试表明利用多波束天线实现空间宽角波束覆盖是切实可行的。而且，在与数据处理分系统配合进行的相关验证试验表明此天线体制是完全适合近地高动态目标的捕获测控，此样机的研制成功，为后续的工程实施提供了良好的设计基础和工程经验。

［1］ 柴霖.临近空间飞行器测控与信息传输系统频段选择［J］.航空学报，2008，7:1007-1012.

［2］ 申志强，孟令杰.临近空间高超声速飞行器测控通信的需求及策略分析［J］.航天电子对抗，2010，2:31-34.

［3］ 刘嘉兴.发展Ka频段测控通信系统的思考［J］.宇航学报，2008，11:1685-1688.

［4］ 李保明，王玉峰.一种高增益多波束反射面天线设计［J］.通信对抗，2010，4:51-54.

［5］ 郭艳玲.均匀多波束分区透镜天线研究［D］.电子科技大学硕士学位论文，2009:55-58.