新型C/S双频馈源

2018-10-11杨东

火控雷达技术 2018年3期

杨东

(西北电子设备研究所西安 710065)

0 引言

随着技术水平发展，多功能天线技术取得了突飞猛进的发展，主要表现在多频段、宽频带等方面[1]，工作在C频段单脉冲测量雷达和S频段的连续波遥测雷达共面天线就是其中一个实例，该天线实现两种不同频段、不同工作体制的跟踪测量功能，同时S频段单脉冲遥测雷达还为C频段雷达完成对目标的初级捕获，从而具有自引导功能。C频段雷达工作模式是传统的三通道体制，整个雷达系统具有测速、测距、测角及单脉冲跟踪功能，因此可作为通用雷达应用在多种实验测试任务。

对于单脉冲天线来讲，应用较多的典型馈源是多喇叭馈源，相对于多喇叭馈源，单喇叭多模馈源和差矛盾小[2]，主要应用在方波导系统中，而圆波导多模馈源、尤其是应用了四种模式的圆波导多模自跟踪馈源应用极少，这也是所谓新型之处。

1 馈源组成

C/S双频馈源做为初级照射器，用于修正型卡塞格伦双镜天线，主要由嵌套的组合喇叭和各自的馈电网络组成，组合喇叭中C波段喇叭位于中心，是由波纹喇叭构成，四周是S波段的四个扇形光壁喇叭，如图1所示。

C波段馈电网络部件主要有TE01模耦合器、TE21模耦合器、TM01模耦合器、差模合成网络、圆极化器等部件，构成原理框图分别如图2所示。

S波段馈电网络部件主要有扇形口面的喇叭、滤波器、极化器、和差网络等部件，构成原理框图分别如图3所示。

2 工作原理

S波段仍然采用传统四喇叭结构，利用和差网络形成三通道信号，其工作原理不再详述。

对于C频段馈源，为实现C波段和、差三路单脉冲信号要求，采用TE01模、TE21模、TM01模多模合成技术，通过斜率等化合成形成脉冲雷达的方位、俯仰差路跟踪信号，其工作原理如图4所示。

多模组合的单脉冲自跟踪馈源具有与四喇叭单脉冲馈源相似的和差通道功能，对波纹喇叭来讲，和、差通道的性能由圆波纹喇叭性能决定，各模式的正交性决定和差喇叭是共用的，相当于在和模性能最优的同时，差模也达到了最优，可以说从根本上解决了多喇叭体制的和差矛盾。

另外，多模单脉冲(特别是圆波导多模单脉冲)自跟踪馈源的零深是由模耦合器结构对称性所决定的。通常情况下，圆波导的跟踪模耦合器在加工上可以保证具有极高的结构对称性，差波束零深通常可以优于-40dB(与差峰值归一)，并可在20%以上频带内得到零点的一致性和良好的匹配。

3 关键部件设计

3.1 组合喇叭

组合喇叭的设计原则是保证C频段喇叭对副反射面边缘照射电平为前提，兼顾S波段喇叭照射效率。

C波段圆锥波纹喇叭的设计是非常成熟的技术，波纹喇叭具有辐射方向图等化好、相位中心稳定、体积小等特点，设计时，利用模式匹配法优化口面直径、张角、波纹槽参数使喇叭达到和方向图等化要求，并使喇叭边缘照射电平约为-15dB左右，为了减小S波段喇叭间距，使空间排放紧凑，口径利用面积尽可能大，C频段波纹喇叭采用了辐射口为光壁的复合型波纹喇叭，由于喇叭后口要满足TE01模传输，输入口半径需要满足1.64r≥λmin，该口径对于TE11、TE21和TM01模来讲驻波非常好，因此波纹喇叭的环加载设计只需考虑TE01模的驻波，波纹槽参数以主模方向图等化为设计依据，最终确定喇叭张角为16°，口面直径为270mm(含喇叭壁厚)。

将设计好的波纹喇叭在电磁仿真软件HFSS中进行了计算，图5为和模方向图和增益。

波纹喇叭各差模(TE01模、TE21模、TM01)的增益差值在1dB内，只需按照设定各差模的相差后进行叠加，就可计算出差模合成后的方向图，如图6所示。

当中心C喇叭口径尺寸确定后，S频段喇叭口径就决定了四喇叭的阵间距，这样S频段和差方向图就被确定，图7、图8为S频段和差方向图，方向图包含主极化和交叉极化的Ф方向多个角度的切面。

当然，组合喇叭可以根据不同频段的不同用途和具体要求，在C、S两个频段的馈源辐射特性上进行取舍，并结合天线的赋形设计有效提高天线效率，降低旁瓣电平[3]来进一步优化设计。

3.2 差模耦合器

3.2.1 TE01模耦合器

TE01模耦合器要求对圆波导中的TE01模实现0dB的耦合,而对圆波导中的主模(TE11模)和其它高次模则要求不耦合或很小耦合，其实质是一个选模式定向耦合器。

耦合器结构上由中间能传输TE01模的圆波导及外围的八根传输TE10模的矩形副波导组成，通过公共臂的耦合小孔阵实现对TE01模的耦合，矩形波导的主模TE10模传播常数与圆波导中的TE01模的传播常数相等，TE01模才能保证实现0dB的耦合。进入副波导后的耦合信号通过波导同轴转换进入由带线构成的八合一的功分网络相加后输出，如图8所示。功分网络采用空气带线形式是一种折中方法，它比微带形式损耗低、比波导形式体积小。

耦合器通常采用耦合波理论进行分析，是一个离散的多孔耦合问题，当孔径和孔间距离远小于波长时，这种耦合机构可以近似地看成连续耦合。耦合孔的数目、大小和间距可以按照耦合理论初步设计[4]，可进一步利用仿真软件优化完成的优化TE10模耦合度和对其他模式的抑制度。

耦合器采用24孔，最终优化的TE01模耦合度大于-0.5dB，对其他模式的耦合度小于-40dB。

3.2.2 TE21模耦合器

TE21模耦合器与TE01模耦合器具有相似的结构，设计理论也完全相同，TE21模耦合器是采用了两个夹角45°的四臂耦合器构成，外观形成8壁耦合结构，实际就是在同一段圆波导段同时耦合出TE21模和正交的TE21*模，这样可以缩小整个馈源的纵向长度。另外，合成网络是与TE01模耦合器不同的，是将正交的TE21模和TE21*模分别按四合一合成后，再通过电桥形成左右旋圆极化输出。

TE21模耦合器同样采用24孔，TE21模耦合度大于-0.5dB，对TE11和TM01模耦合度均小于-40dB。

3.2.3 TM01模耦合器

TM01模耦合器结构如图10所示，并未采用多孔耦合结构[5]，耦合器和主模TE11模的波导四臂功分器容为一体，在圆波导的中心有一根匹配杆，随着圆波导半径的缩小，TM01逐步转换成为同轴线中的TEM模并输出(图中TM01仅表示出口)。TE11模通过四臂(±90°移相对)后，再通过正交器形成左右旋圆极化输出。结构上这样做的好处是可以大大缩小整个耦合器的纵向长度，进而缩小整个馈源网络的长度。

TM01模耦合器的耦合度大于-0.2dB，对TE11耦合度均小于-40dB。

3.3 差路合成网络

当TE01模、TE21模和TM01模均从圆波导中耦合出来后，就需要完成最后的差模合成了，此时TE21模是两路左右旋圆极化信号，而TE01模和TM01模是线极化信号，因此，设计了如图11所示的差路合成网络，差路合成网络由三个连接在一起的电桥构成，四个同轴输入口，四个输出口为标准波导口(为了与和路输出口相同)，差模信号通过同轴电缆与输入口相连，中间的电桥将TE01模和TM01模先合成圆极化，在分别通过两边的电桥与同旋向的TE21模合成后输出4个口，分别就是左右旋圆极化的方位、俯仰差信号了。

四路用于合成的电缆需要配相，TE01模和TM01模的两根电缆间相差决定合成后信号的圆极化轴比，TE21模两根电缆长度决定方位和俯仰差零深(差方向图中的 “深沟”)在Ф方向的角度，以喇叭口向前的方向为在Z轴。

3.4 整体结构设计

双频馈源的实物如图12所示，中心的C频段馈源工作峰值功率为2MW，馈源和馈线需要冲入2个大气压的干燥气体，以满足功率使用要求，因此加工了一个钢桶将C频段馈源整体密封起来，这样的好处一是省略了每个复杂馈源部件的单独密封，降低了密封难度;二是气压均作用于钢桶，馈源部件的壁厚可以做薄，降低了馈源重量。

外部S频段加装了很长的多节带通滤波器，以隔离C频段馈源工作时从喇叭口漏过来的干扰。

4 实测数据及性能对比

实测的馈源方向图如图13和图14所示，同计算的方向图结果非常接近，其中C频段计算的和差方向图峰值相差约2dB，而实际测试值约3.5dB，主要是由于差模耦合器耦合效率和差路损耗导致。

为了能更进一步说明双频段天线的电气性能，选取了文献[7]中的天线进行比对，文献 [7]中的天线也是C和S双频工作，C频段为典型的五喇叭工作体制，S频段为八喇叭结构，与本文天线对照，两种天线结构形式均为卡氏双反射面天线，口径相同，工作频率相同，只是天线的馈源采用工作体制不同，因此增益、效率、差斜率等电气性能易于对比，主要比对结果如表1所示，本天线馈源指标中增益为实测值，含馈源、馈线插入损耗。

从比对结果可以看出，两种不同体制的馈源在相同口径天线应用中，效率差别较大，文献[7]中C频段馈源因为差喇叭的存在，和喇叭口径太小，照射电平过高，导致馈源的漏射效率过低，预算值为46.5%，而多模馈源中漏射效率在80%以上，这一点验证了多模单脉冲(特别是圆波导多模单脉冲)自跟踪馈源和差矛盾远远小于五喇叭自跟踪馈源[8]。

C频段采用TE01、TE21、TM01多模合成技术和差斜率等化技术形成方位、俯仰差信号，差效率高，零点稳定。C频段圆喇叭口径小于文献[3]中C频段和差喇叭的口径面积，对于提升S频段的效率也是有益的。

相对于五喇叭结构的馈源，中心C频段的五喇叭的存在对S频段效率有很大限制，新型C/S双频馈源S频段效率提升主要依靠两点：一是尽可能减小C频段喇叭占据的尺寸；二是提高S频段喇叭口面积的有效利用率。第一点是采用了多模组合技术减小C频段圆喇叭口径的，第二点则是运用S频段扇形喇叭结构达到的。