2011年天線年會論文集第16部分

1、和差雙極化的單脈沖環(huán)焦天線聶曉初 劉恩德 王新軍 姜新發(fā)（北京無線電測量研究所，北京142信箱203分箱2號，100854）摘 要：本文介紹了一種和差雙極化的單脈沖環(huán)焦天線，包括天線及饋源的設(shè)計(jì)過程及采用的技術(shù)途徑，文中最后給出了一些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：雙極化 單脈沖 環(huán)焦天線A Sum-Difference Dual-Polarized Monopulse Ring-Focus AntennaNIE xiaochu，LIU ende，WANG xinjun JIANG xinfa（Beijing institute of radio measurement，P.O

2、.Box 142，Beijing 100854，China）Abstract: A sum-difference dual-polarized monopulse ring-focus antenna is introduced. The procedure and techniques in antenna and feed design is illustrated，and the design solution also presented. The test results show a good agreement with the design requests.Keyword:

3、dual-polarized，monopulse，ring-focus antenna1 引言對于中小口徑的高增益天線來說，環(huán)焦天線是一種應(yīng)用十分廣泛也十分成熟的雙反射面天線，既可以單獨(dú)使用，也可以作為相控陣天線的理想平面波饋電，通過雙修反射面的方式可以給口徑面提供合適的口徑場分布函數(shù)，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性。與卡塞格倫天線相比，環(huán)焦天線避免了饋源遮擋大于副面遮擋，在獲得較大口徑利用系數(shù)和較低VSWR的同時，將副瓣降低到一定的程度以及提高圓極化工作的收發(fā)隔離度。而對單脈沖環(huán)焦天線而言，副面的反轉(zhuǎn)作用，會直接影響差通道的差性能，主要體現(xiàn)在和差矛盾大和歸一化差斜率低。文獻(xiàn)1給出了單脈沖和差一體化設(shè)

4、計(jì)方法，通過對主副面的賦形，保證和分布的高效率，同時尋求合適的差饋源方向圖，從而保證天線差方向圖的性能。本文應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)了一種和差雙線極化單脈沖環(huán)焦天線，與文獻(xiàn)1的實(shí)例不同，該雙線極化單脈沖環(huán)焦天線，不但要考慮和差性能的優(yōu)化，還要兼顧雙線極化的不同，通過尋求合適的主副面的賦形和單脈沖饋源設(shè)計(jì)達(dá)到需要的口徑場分布函數(shù)，從而得到理想的天線性能。圖1 環(huán)焦天線示意圖2 系統(tǒng)概述來自發(fā)射機(jī)的微波信號經(jīng)過極化轉(zhuǎn)換開關(guān)和環(huán)行器送到饋源的和支路，經(jīng)饋源輻射后又分別經(jīng)過副反射面和主反射面，最后在空中形成預(yù)定的發(fā)射波束。接收時，微波信號經(jīng)主副反射面反射后在饋源處聚焦，同時形成和/水平極化、和/垂直極化、方位差

5、/水平極化、方位差/垂直極化、俯仰差/水平極化、俯仰差/垂直極化共六路信號送高頻接收機(jī)。整個天線系統(tǒng)組成框圖見圖2。圖2 天線系統(tǒng)組成框圖3 賦形環(huán)焦天線設(shè)計(jì)該雙反射面天線采用賦形環(huán)焦反射面天線，饋源為雙線極化、收發(fā)共用體制的單脈沖饋源，利用正交極化的隔離特性，通過正交模T，保證天線的雙極化工作。在選擇口面場分布函數(shù)及對應(yīng)的口面場分布時，通過細(xì)致研究和比較后，得到口面效率0.91。對于線極化單脈沖饋源，為保障雙極化工作，饋源和波束的照射電平會有較大差別，如圖3所示，在進(jìn)行環(huán)焦天線賦形時需要先選取和波束照射電平曲線的區(qū)間擬合值，再根據(jù)饋源波束以及口徑分布函數(shù)，利用幾何光學(xué)法得到反射面的賦形曲線。

6、事實(shí)上，饋源波束區(qū)間值的選取是天線設(shè)計(jì)必須考慮的問題，除了天線不同極化的需求，還有天線寬頻帶特性的需求，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和仿真計(jì)算確定，本天線選取的是中間值，為保證雙極化天線副瓣性能，賦形時留一定的余量。圖3 雙線極化單脈沖饋源在工程應(yīng)用上，即使副瓣設(shè)計(jì)余量不足，也可通過進(jìn)一步微調(diào)副反射面，尋求天線增益與副瓣等各項(xiàng)電氣性能的平衡，如4所示，紅線（上面）為幅面微調(diào)前，相應(yīng)的遠(yuǎn)場方向圖如圖5紅線（上面）所示，微調(diào)副反射面后分析的副瓣降低1.8dB，增益損失約0.2dB，實(shí)測結(jié)果完全一致。圖4 副反射面微調(diào)前后比較圖5 副反射面微調(diào)前后遠(yuǎn)場方向圖比較4 饋源設(shè)計(jì)常用的單脈沖饋源有四喇叭、五喇叭、多喇叭、

7、多模喇叭等幾種方式。四喇叭單脈沖饋源和差矛盾較大，五喇叭單脈沖饋源能夠使和差的分布比四喇叭好，在單脈沖雷達(dá)中有廣泛地應(yīng)用，多喇叭單脈沖饋源也基本基于五喇叭設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，多模饋源在雙線極化條件下較難實(shí)現(xiàn)。對環(huán)焦天線，特別關(guān)心歸一化差斜率。通過仔細(xì)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到，當(dāng)用五喇叭形式的單脈沖饋源時，兩種賦形雙反射面天線的差波束性能能保證基本相同。在此采用能減小天線反射對饋源的影響的五喇叭單脈沖饋源照射賦形環(huán)焦天線。其輻射口面示意如圖6所示。圖6 五喇叭饋源輻射口面示意圖5 實(shí)測結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，我們設(shè)計(jì)S波段天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率：S波段帶寬：9%和波束寬度：增益：38.5dB

8、i；副瓣電平：-16dB；歸一化斜率: 1.0；圖7-圖8給出了遠(yuǎn)場方向圖性能的部分測試結(jié)果。圖7 H面典型和差方向圖圖8 E面典型和差方向圖6 小結(jié)本文介紹了一種和差雙線極化的單脈沖環(huán)焦天線，包括天線及饋源的設(shè)計(jì)過程及采用的技術(shù)途徑，文中最后給出了一些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。參 考 文 獻(xiàn)1 程臻、呂善偉、姜新發(fā). 單脈沖環(huán)焦天線和差一體化設(shè)計(jì). 北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2001年2月，第27卷第一期2 楊可忠、楊智友、章日容. 現(xiàn)代天線新技術(shù)M.北京：人民郵電出版社，1993一種高效率圓極化單脈沖饋源的設(shè)計(jì)申伯勇 高春娟 孫 宏 閆 頌（北京無線電測量研究所，北京10085

9、4）Subo27shen摘 要：本文介紹了一種工作在C波段高效率圓極化單脈沖多模饋源的設(shè)計(jì)方案，用模匹配方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出實(shí)測結(jié)果。在工作頻帶內(nèi)（5%）實(shí)現(xiàn)了饋源的和差高效率，高隔離度，優(yōu)良的寬角軸比等性能。關(guān)鍵詞：高效率，圓極化，多模，單脈沖饋源Design of a Highly-efficient Circular-Polarization and Monopulse FeedSHEN boyong，GAO chunjuan，SUN hong，YAN song （Beijing institute of radio measurement ，Beijing 100854）Abs

10、tract: In this paper，a design scheme of Highly-efficient Circular-Polarization and Monopulse multi-mode Feed working at C band is proposed and optimized with the method of mode matching theory，the measured result is given. It is verified that the high efficiency and high isolation as well as much be

11、tter axial ratio performance in the wide illuminated angle in the operational band about 5%.Keywords: High-efficiency; Circular-polarization; Multi-mode; Monopulse feed1 引言導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等技術(shù)的發(fā)展對跟蹤雷達(dá)的跟蹤速度、跟蹤精度和跟蹤距離都提出了越來越高的要求。單脈沖跟蹤采用了同時比較法，獲取差信號速度、跟蹤速度快，角跟蹤精度高，抗干擾能力也大大加強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用1。單脈沖饋源的形式一般有多口徑、單口徑多模及多

12、口徑與多模相結(jié)合等方式，其中單口徑多模形式由于其結(jié)構(gòu)緊湊性能優(yōu)良被認(rèn)為是較為理想的選擇。對單口徑圓極化多模饋源又有方口徑與圓口徑兩種，相對于圓口徑多模饋源方口徑具有模式易控制、饋電網(wǎng)絡(luò)簡單、尺寸小損耗低、頻帶寬等諸多優(yōu)勢。本文介紹了一種方口徑圓極化多模饋源的設(shè)計(jì)，利用模匹配方法對饋源進(jìn)行了優(yōu)化，使用HFSS軟件進(jìn)行了仿真，計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果及實(shí)測均比較吻合，驗(yàn)證了方法的實(shí)用性，該饋源具有效率高、副瓣低、差差耦合小、減小天線和差矛盾、提高天線的歸一化差斜率等優(yōu)點(diǎn)，取得了很好的使用效果。2 饋源設(shè)計(jì)方案本饋源應(yīng)用于雙修正卡塞格倫天線，發(fā)射左旋圓極化，接收右旋圓極化。單脈沖饋源性能的好壞直接決定著天

13、線效率及差斜率的高低，天線對饋源的要求是副瓣電平要盡可能低、照射方向圖盡量做到旋轉(zhuǎn)對稱、圓極化軸比要好、和差截獲效率要高，這些都是高效率饋源的特征。為了保證天線增益達(dá)到指標(biāo)要求，應(yīng)努力提高饋源和通道饋電效率，另一方面為了保證歸一化差斜率，在提高和效率的同時差效率也要提高，也既必須要解決好“和差矛盾”問題2。多模饋源用不同的波導(dǎo)模式形成和差波束，只要各種模式配置合適可以使和差效率同時達(dá)到最佳，是公認(rèn)的能夠較好解決和差矛盾問題的單脈沖饋源，本饋源的特殊之處在于圓極化工作，其關(guān)鍵是要在圓極化狀態(tài)下解決和差矛盾，為此采用了單口徑方口多模單脈沖饋源，該饋源主要由和差器、正交模耦合器、圓極化器、匹配段、四

14、饋一波導(dǎo)段，差模移相段、輻射喇叭等部分構(gòu)成。為了保證雙圓極化工作，除和差器及正交模耦合器外其余部件均為方波導(dǎo)形式。主要的工作模式為：H10模及EH12模形成和波束，H20/H02及EH11模形成差波束，饋源的結(jié)構(gòu)圖如圖1。圖1 饋源的結(jié)構(gòu)圖饋源的設(shè)計(jì)包括輻射喇叭、四饋一波導(dǎo)段及匹配段三部分。輻射喇叭選用了變張角喇叭，主要用于產(chǎn)生EH12模，之所以沒有采用臺階是考慮到圓極化工作必須為雙面臺階，雙面臺階易帶來差差耦合現(xiàn)象，不利于跟蹤，多個張角級聯(lián)可適當(dāng)展寬帶寬，最后得到EH12與主模的模比約0.75左右；四饋一波導(dǎo)段由于突變較多，模式很復(fù)雜，因此對駐波影響較大，在其后加了一些匹配段并用模匹配方法進(jìn)

15、行一體優(yōu)化，可獲得需要的和差駐波性能，優(yōu)化時重點(diǎn)放在和口駐波，對差駐波進(jìn)行了兼顧。在此處還增加了模式調(diào)整片用以獲得較純的EH11模。3 測試結(jié)果此饋源在暗室進(jìn)行了測試，測試和差方向圖如圖2所示：測試結(jié)果表明，饋源方向圖等化很好，和波束照射電平在各個切面約-14dB-15dB之間，差波束照射電平-5dB-7dB之間，差零深-35 dB。軸比方向圖如圖3所示，軸比特性在照射角范圍內(nèi)3dB。4 結(jié)論本文基于多模理論和模匹配方法設(shè)計(jì)了一個工作在C波段的單脈沖多模饋源，測試結(jié)果表明，該饋源的各項(xiàng)指標(biāo)滿足使用要求，模匹配法的應(yīng)用大大提高了設(shè)計(jì)的效率。圖2 饋源的和差方向圖圖3 饋源的軸比饋源各端口駐波比的

16、測試結(jié)果如圖4所示，測試結(jié)果表明，在工作頻帶內(nèi)（5%），和口駐波小于1.2，差口駐波小于1.55。圖4 饋源的和差駐波比參 考 文 獻(xiàn)1 謝處方，邱文杰.天線原理與設(shè)計(jì).西北電訊工程學(xué)院出版社，1985.2 張本全，微波無源器件設(shè)計(jì)中的模式匹配法研究，2004.6.基于圓陣的兩維自適應(yīng)單脈沖角度跟蹤算法陳 亮 盛衛(wèi)星 馬曉峰（南京理工大學(xué)，南京 210094）cl_njust摘 要：本文研究了基于具有三角形格點(diǎn)排布的兩維圓陣下的自適應(yīng)單脈沖角度跟蹤算法。在此陣列結(jié)構(gòu)下，對包含強(qiáng)干擾的接收信號進(jìn)行DOA估計(jì)，根據(jù)估計(jì)得到的干擾方位信息，對接收到的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行基于子空間投影的自適應(yīng)波束形成算法，從

17、而在空間形成和波束以及對應(yīng)方位和俯仰的差波束。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了算法的正確性以及有效性。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)數(shù)字波束形成，單脈沖測角，來波方向估計(jì)，正交投影算法Algorithm of 2-D Adaptive Monopulse Estimation Based on Circular ArrayChen Liang，Sheng Weixing，Ma Xiaofeng（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technique，Nanjing University of Science and Technology，Nanjin

18、g 210094）Abstract: An algorithm for adaptive monopulse estimation base on a circular array with triangular grid is proposed in this paper. First，the direction of arrival of the received signal with strong interference is estimated. Then according to the information obtained in the first step，an adap

19、tive digital beamforming algorithm based on subspace projection is done to the received signal. So the sum beam and difference beam for elevation and azimuth is created. Theoretical analysis and simulation results demonstrate the effectiveness and correctness of the algorithm. Keywords: adaptive dig

20、ital beamforming，monopulse estimation，direction of arrival，orthogonal projection method1 引言單脈沖角度跟蹤技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在跟蹤、制導(dǎo)、探測等諸多領(lǐng)域內(nèi)。由于自適應(yīng)陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展，將回波中的強(qiáng)干擾信號濾除成為可能。自適應(yīng)單脈沖技術(shù)可以將和波束的主峰和差波束的凹口對準(zhǔn)期望的方向，同時根據(jù)外界強(qiáng)干擾的方位，自適應(yīng)的在方向圖上產(chǎn)生零陷，使得零陷對準(zhǔn)干擾的位置。文獻(xiàn)1提出了一維線陣下的自適應(yīng)單脈沖跟蹤算法，劉宏偉2將該算法增加了一些線性約束，并推廣到了兩維矩形平面陣上去。文獻(xiàn)3在矩形平面陣結(jié)構(gòu)下，研究了具

21、有主瓣干擾和旁瓣干擾同時存在時的自適應(yīng)單脈沖算法，胡航4在該算法的基礎(chǔ)上，又將其推廣到低旁瓣特性的兩維矩形平面陣上去，并且可以將矩形平面陣劃分為多個子陣。文獻(xiàn)5將自適應(yīng)單脈沖算法應(yīng)用在了旁瓣對消器結(jié)構(gòu)上，并被He6進(jìn)一步應(yīng)用到了具有多級維納濾波器的結(jié)構(gòu)上。廖暉在文章7中，系統(tǒng)的比較了旁瓣對消類方法和線性約束類方法的性能，并且提出了新的約束方法。然而，上述算法都是在一維均勻線陣，或者是兩維均勻面陣的結(jié)構(gòu)下開展的，針對三角形格點(diǎn)下的圓形面陣的研究并不多見。文獻(xiàn)8提出了最大似然方法的自適應(yīng)單脈沖角度估計(jì)算法，該算法不受陣列幾何結(jié)構(gòu)的影響，能準(zhǔn)確地估計(jì)目標(biāo)方位，但是該算法屬于數(shù)值計(jì)算類方法，本質(zhì)上就是

22、一個一階或者高階導(dǎo)數(shù)逼近，需要估計(jì)大量的參數(shù)，而這在實(shí)際工程應(yīng)用中往往也是存在難度的。本文結(jié)構(gòu)安排如下：第二節(jié)給出陣列的幾何模型以及陣列信號模型。第三節(jié)給出具體的自適應(yīng)單脈沖算法流程：DOA估計(jì)以及正交投影算法。第四節(jié)給出計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)和分析，并在文章的最后對本文中的算法進(jìn)行總結(jié)。2 陣列幾何模型和信號模型本文中提出的算法都是基于三角形格點(diǎn)的平面圓形陣進(jìn)行的，所謂三角形格點(diǎn)就是天線陣列中相鄰陣元之間的排布具有如下的形式，如圖1所示。圖1 陣列幾何結(jié)構(gòu)所有的天線單元被安排在一個圓形范圍當(dāng)中，任意方向上的相鄰兩個陣元之間的間距相等，也都為半波長。陣列中的總的天線單元個數(shù)為301個。假設(shè)這里所有的天

23、線單元都為全向天線，那么，陣列中第m個陣元的接收信號可以表示為：（1）其中，xm和ym分別代表第m個陣元在直角坐標(biāo)系下的位置，s（t）和j（t）代表目標(biāo)回波和干擾信號的復(fù)包絡(luò)，這里假設(shè)一共有L個干擾信號。nm（t）表示對應(yīng)第m個通道的零均值高斯白噪聲信號。us、vs、uj、vj分別代表期望信號和干擾信號的方向余弦，可以表示如下： （2）那么整個陣列在某次快拍下的接收信號用向量可以表示如下：（3）接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為： （4）而在實(shí)際環(huán)境中，協(xié)方差矩陣是不可能被精確計(jì)算出來的，只能通過有限次數(shù)的快拍得到：（5）3 自適應(yīng)單脈沖算法3.1 圓陣下的DOA算法首先在算法的第一個環(huán)節(jié)，需要通過某種D

24、OA算法獲得外界干擾的具體位置信息，這里采用多重信號分類算法（MUSIC）。假設(shè)目標(biāo)回波信號，干擾信號以及噪聲信號之間都相互獨(dú)立，那么接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣可以分解為信號子空間部分以及噪聲子空間部分： （6）其中，Us為大的特征值對應(yīng)的特征向量張成的子空間，也就是信號子空間。而Un為其余的小特征值對應(yīng)的特征向量張成的子空間，也就是噪聲子空間。Vs和Vn分別是對應(yīng)大特征值和小特征值構(gòu)成的對角矩陣。根據(jù)信號子空間和噪聲子空間正交的性質(zhì)，信號的方向性矢量和噪聲子空間是正交的，即： （7）由此得到MUSIC算法的空間譜估計(jì)公式： （8）3.2 正交投影自適應(yīng)單脈沖算法利用MUSIC算法可以精確的知道外界

25、各個干擾的方向。假設(shè)外界總共包含L個干擾信號，其方向分別為，那么干擾子空間A可以通過以下的方式被構(gòu)建： （9）其中，為對應(yīng)第k個干擾的方向性矢量： （10）那么，對應(yīng)和波束的最優(yōu)自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)為： （11）對于差波束，根據(jù)最大似然準(zhǔn)則中的推導(dǎo)，取和波束在對應(yīng)兩個方向余弦上的導(dǎo)數(shù)作為靜態(tài)條件下的差波束權(quán)重。為了方便這里只考慮u方向，v方向的處理是相似的，那么靜態(tài)差波束權(quán)重為： （12）那么，同和波束權(quán)重類似的方法，可以計(jì)算得到自適應(yīng)條件下的差波束權(quán)重： （13）同樣的，可以得到v方向上的自適應(yīng)差波束權(quán)重為： （14）通過上面的分析不難看出，自適應(yīng)權(quán)重實(shí)際上就是將和、差波束的靜態(tài)方向性矢量向干擾子

26、空間的正交補(bǔ)空間做投影。那么最終得到的權(quán)重系數(shù)矢量必然是和干擾子空間是垂直的，也就能夠很好的對干擾信號實(shí)施抑制，同時保持和波束主瓣的峰和差波束主瓣的凹口。4 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果仿真中采用如圖1所示的陣列幾何結(jié)構(gòu)。這里，假設(shè)總共有兩個干擾信號，到達(dá)方向分別為（10，10）和（30，30），并且期望指向在（35，-35）。SNR為0dB，對應(yīng)兩個干擾的JNR都是50dB。首先，圓形陣列下的兩維MUSIC仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2上可以看出，MUSIC算法成功檢測出回波中強(qiáng)功率的干擾信號，并精確地定位其方向。同時，應(yīng)該注意到由于期望信號的功率相比于干擾信號非常小，所以在MUSIC進(jìn)行來波方向檢測的時候，

27、微弱的期望信號被湮沒在強(qiáng)干擾當(dāng)中，其方位是沒有辦法被檢測出來的。圖2 兩維MUSIC面陣的結(jié)果圖3給出了自適應(yīng)條件下的和波束兩維方向圖，方向圖用其最大值進(jìn)行歸一化了。從圖中可以看到，在預(yù)設(shè)的指向處，方向圖達(dá)到峰值，很好的指向了預(yù)定的方位。圖3 兩維和波束方向圖圖4和圖5給出了在u方向上和v方向上的三種方法下的單脈沖比曲線。從圖上可以看到，在指向附近，單脈沖比曲線保持了比較好的線性特性，同時也保持了很好的零點(diǎn)特性。圖4 u維下的單脈沖比曲線圖5 v維下的單脈沖比曲線圖5 輸出SINR隨輸入SNR的變化圖5給出了輸出SINR隨著輸入SNR的變化而變化的曲線。從其線性增長的方式可以看到，自適應(yīng)方向圖

28、可以成功地對干擾實(shí)施抑制。5 結(jié)論本文介紹了圓陣結(jié)構(gòu)下，基于正交投影的自適應(yīng)單脈沖角度跟蹤算法，該算法在抑制干擾的同時，可以有效地對準(zhǔn)期望信號。對實(shí)際工程具有一定指導(dǎo)意義。參 考 文 獻(xiàn)1 徐偉. 線性約束自適應(yīng)單脈沖測角算法約束條件研究.火控雷達(dá)技術(shù)，2005（34）:38-42. 2 劉宏偉.平面陣線性約束自適應(yīng)單脈沖測角算法.電子與信息學(xué)報，2001（23）:275-279.3 Kai-Bor Yu. Adaptive Digital Beamforming for Angle Estimation in Jamming. IEEE transaction on aerospace an

29、d electronic system，2001（37）:508-523.4 胡航.一種改進(jìn)的兩級子陣自適應(yīng)單脈沖方法，電子學(xué)報，2009（9）：1996-2004.5 余繼周.自適應(yīng)旁瓣對消在單脈沖跟蹤雷達(dá)中的應(yīng)用.現(xiàn)代防御技術(shù)，2005（33）：50-52.6 He Yu-Dong. Adaptive Sum and Difference Beamforming for Monopulse System with array antenna.WiCOM2010:1-4.7 廖暉.基于方向圖保形的單脈沖測角算法.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2010（5）:301-3058 Nickle.Over

30、view of Generalized Monopulse Estimation.IEEE AES，2011（21）:27-57.X波段64元寬頻帶微帶單脈沖天線陣的設(shè)計(jì)梁洪燦 倪文俊 楊 法 蔣凡杰（中國電子科技集團(tuán)第五十一研究所，上海201802）lianghongcan摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種工作于X波段的64單元寬頻帶微帶單脈沖天線陣，通過采用口徑耦合饋電和多層結(jié)構(gòu)，拓寬了微帶天線陣的阻抗帶寬（VSWR2相對帶寬達(dá)到42%）；對陣列單元饋電運(yùn)用了幅度加權(quán)，將最高副瓣壓低于-20dB以下；和差網(wǎng)絡(luò)和微帶陣列天線組成了單脈沖天線；通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測量，該天線陣具有高增益寬頻帶，和差方向圖特

31、性良好，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：寬頻帶，單脈沖，口徑耦合，和差網(wǎng)絡(luò)，微帶天線陣Design of a 64 Elements Broadband Microstrip Monopulse Antenna Array at X bandLIANG hongcan，NI wenjun，YANG fa，JIANG fanjie（51st Research Institute of CETC，Shanghhai 201802）Abstract: Designing a 64 elements broadband microstrip monopulse antenna array at X ba

32、nd is proposed in this paper. The bandwidth property of the microstrip antenna array is broadened by Aperture-coupled feeding and multilayer（In the VSWR2，the relative bandwidth of the array is up to 42%）; By weighting the exciting amplitude of the elements in the array，it gains its ends to lower the

33、 highest side lobes of 20dB below the main lobe; The monopulse antenna is constituted by the sum-difference network and microstrip antenna array; The array has the features of high-gain and broadband，and good sum-difference radiation pattern is achieved by theory analysis and the measured results ，t

34、he results are in agreement with the design system requirements.Keywords: Broadband; Monopulse; Aperture-coupled;Sum and Difference network; Microstrip antenna array1 引言單脈沖雷達(dá)克服了傳統(tǒng)測向方法的缺點(diǎn)，可以快速精確地測定目標(biāo)方位，同時具有波束窄、方向性好、絕對帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，在跟蹤和制導(dǎo)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。由于單脈沖天線的性能直接決定了單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的測角精度和探測距離，因此，研究單脈沖天線設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。早期的單

35、脈沖天線多數(shù)采用拋物面反射器結(jié)構(gòu)1，典型的單脈沖天線為四喇叭饋源結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的和差網(wǎng)絡(luò)由魔T構(gòu)成。這種天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間較多，制作成本高，尤其不適應(yīng)機(jī)載和星載應(yīng)用。本文利用微帶天線重量輕、剖面小、能與載體共形、與有源器件和電路的集成等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工并測試了微帶結(jié)構(gòu)的單脈沖天線。一般微帶天線的主要缺點(diǎn)是頻帶較窄，目前常用的展寬頻帶的方法主要有：（1）增加基板的厚度和降低基板的介電常數(shù)；（2）附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)2;（3）采用多層結(jié)構(gòu)3;（4）口徑耦合饋電45等。其中，由于介質(zhì)板的限制，通過增加厚度和降低介電常數(shù)的方法展寬帶寬是有限的，而附加匹配網(wǎng)絡(luò)是饋線的匹配問題，不是天線本身的匹配問題，而且會

36、增加天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。本文采用雙層結(jié)構(gòu)和口徑耦合饋電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個寬頻帶高增益64元微帶單脈沖天線陣。2 微帶單脈沖天線陣的仿真和設(shè)計(jì)2.1 天線單元設(shè)計(jì)與仿真天線陣的單元采用多層微帶貼片形式，考慮到一定的帶寬要求，中間加了空氣層來增加天線厚度、并采用口徑電磁耦合饋電方式。圖1為單元結(jié)構(gòu)示意圖，天線由兩層介質(zhì)層和一層空氣層組成。上下兩層介質(zhì)層均為Rogers5880，厚度分別為h1和h3，相對介電常數(shù)均為；中間空氣層的厚度為h2。上層的輻射貼片形式為圓形，其半徑為r；下層介質(zhì)層底面覆有50歐姆饋線，其寬度為Wt。下層介質(zhì)的上表面為金屬地層，其上開有啞鈴形縫隙。啞鈴形縫隙結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，啞

37、鈴形縫隙中心位于圓形貼片正下方。通過調(diào)整空氣層的厚度、啞鈴形縫圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖圖2 啞鈴形縫隙的結(jié)構(gòu)示意圖隙的尺寸、饋線的位置，貼片天線單元可以獲得良好的阻抗匹配特性。通過運(yùn)用HFSS的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到微帶天線單元的尺寸為：h1=1.1，h2=3.0，h3=0.8，r=5.5，W1=1.18，W2=0.735 W3=2.65，L1=4.85，Wt=2.42（單位：mm）。其阻抗帶寬滿足設(shè)計(jì)要求，天線在中心頻率9.5GHz方向圖如圖3所示。圖3 頻率9.5GHz方向圖2.2 和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)單脈沖天線原理如圖4所示，4個天線單元（或陣）收到的信號經(jīng)過和差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加減，最后從三個輸出口分別得到

38、和波束信號、方位差波束信號、俯仰差波束信號。在實(shí)際應(yīng)用中，天線陣列斜45線極化放置。四個單元（或陣）的信號分別為：E1，E2，E3，E4。經(jīng)和差網(wǎng)絡(luò)后得到的和波束信號為：E= E1+E2+E3+E4；方位差波束信號為：E1=E2-E4；俯仰差波束信號為：E2=E1-E3。和差網(wǎng)絡(luò)采用分支線寬帶耦合器和90寬帶線移相器來實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖5所示，port2、port3、port4、port5為天線單元輸入端，port1、port6、por7為輸出端，其中port1為和波束輸出，等于P2+P3+P4+P5，port6為方位差波束輸出，等于P2-P3，port7為俯仰差波束輸出，等于P4-P5，por

39、t8為無用信息，接匹配負(fù)載到地。采用盒體安裝，盒體尺寸為607016（mm），接口形式為SMA。圖4 單脈沖天線圖5 和差網(wǎng)絡(luò)2.3 天線陣設(shè)計(jì)與仿真為滿足增益及波束寬度要求，圖4所示的1、2、3、4各子陣采用44微帶貼片陣形式，陣間距為22.85mm。同時為滿足低副瓣的要求，對各單元進(jìn)行幅度加權(quán)饋電；具體為在44子陣中，每22為一組，共四組，同一組等幅饋電，不同組采用不等幅饋電。這樣64單元陣共分成了16個組，各組的電流幅度分布加權(quán)情況如圖6所示。不等幅饋電網(wǎng)絡(luò)通過阻抗變換和不等分功分器來實(shí)現(xiàn)。最后，該天線陣形式如圖7所示，采用盒體安裝，盒體尺寸為20020040（mm），接口形式均為SMA

40、輸出。根據(jù)陣列理論6，采用HFSS軟件仿真得到圖8所示的和差方向圖。圖中Diff/Sum表示差/和波束信號；Eplane和Hplane分別表示俯仰和方位，由圖可見單脈沖天線差波束的零深相對于和波束在-25dB以下。在9.5GHz時，天線的增益約為26dBi。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。圖6 各陣組電流幅度分布圖7 64單元微帶貼片陣圖8 9.5GHz和差方向圖圖9 單脈沖天線結(jié)構(gòu)示意圖在制作過程中，空氣層用環(huán)氧板方環(huán)填充，上面打有通孔起到支撐和固定上層天線面的作用。單脈沖天線的加工結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。3 測試結(jié)果實(shí)物天線的電壓駐波比和遠(yuǎn)場方向圖測量結(jié)果圖1012所示。由圖中測試結(jié)果

41、可知：天線陣的工作頻率在7.511.5GHz，阻抗帶寬達(dá)到42%；差波束相對和波束的零深在-25dB以下；和波束的副瓣電平在-25dBc以下。由比較法，在暗室測得9.5GHz時天線陣的增益為24.8dBi，比理論增益要小1.2dB，主要是由于介質(zhì)板、電纜損耗以及饋線匹配等因素所產(chǎn)生的。圖10 差波束端口電壓駐波比圖11 和波束端口電壓駐波比圖12 9.5GHz和差方向圖4 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的單脈沖天線，采用了口徑電磁耦合饋電的微帶天線陣，并對天線陣列及和差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化仿真和樣機(jī)制作。實(shí)測結(jié)果表明：該微帶天線陣具有寬頻帶、高增益、低副瓣和結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點(diǎn)，在單脈沖雷達(dá)跟蹤識別系統(tǒng)中具有重要的實(shí)用

42、價值。參 考 文 獻(xiàn)1 謝處方，邱文杰. 天線原理與設(shè)計(jì)M . 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社，19852 Row J S. A simple impedance-matching technique for patch antennas fed by coplanar microstrip lineJ. IEEE Trans on Antennas and Propagation，Oct 2005，Vo.153，No10:33893381.3 徐俊珺，姜興，李思敏. Ku波段寬頻帶微帶貼片天線的單元設(shè)計(jì)J.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2006，Vo.l26（4）: 264267.4 Pozar，D

43、.M.and Targonski，S.D. Improved coupling for Aperture coupled microstrip antennas，Electron.Lett.，27，1129，1991.5 Rathi，V.，Kumar，G.and Ray，K.P. Improved coupling for Aperture coupled microstrip antennas，IEEE Trans.Antennas propag.，44，1196，1996.6 克勞斯（Krause，J.D.）等著，章文勛譯。天線（第三版）M.北京：電子工業(yè)出版社，2006.作者簡介：梁洪燦

44、，男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€的設(shè)計(jì)與分析和電磁散射分析等；倪文俊，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閷拵炀€、相控陣天線等；楊法，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲炀€，電磁散射分析等；蔣凡杰，男，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娮討?zhàn)天饋系統(tǒng)、微波與射頻系統(tǒng)、相控陣天線等。X波段介質(zhì)集成波導(dǎo)超薄型單脈沖雷達(dá)天線設(shè)計(jì)李 波 蔣延生 張安學(xué)（西安交通大學(xué)電信學(xué)院微波所，西安 710049） mylibo007摘 要：本文提出一種新的平面單脈沖雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)，頂層輻射器采用介質(zhì)集成波導(dǎo)縫隙天線陣列，底層由與輻射波導(dǎo)垂直放置的介質(zhì)集成波導(dǎo)饋電，平面微帶“十字”和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在饋電波導(dǎo)同一層。天線厚度（不考慮SMA接頭）僅約3mm。

45、由于使用了介質(zhì)集成波導(dǎo)，與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)平板單脈沖雷達(dá)天線相比，重量大大減小，加工難度和成本都大幅度降低，天線陣設(shè)計(jì)采用了低旁瓣技術(shù)。使用Ansoft HFSS軟件仿真得到了較好的結(jié)果。關(guān)鍵詞：單脈沖雷達(dá)，介質(zhì)集成波導(dǎo)，波導(dǎo)縫隙陣，和差網(wǎng)絡(luò)Design of X Band SIW Ultrathin Monopulse AntennaLI bo，JIANG yansheng，ZHANG anxue（Microwave Eng.，School of EI，Xian Jiaotong University，Xian 710049）Abstract: This paper presents a no

46、vel structure for the planer monopulse antenna. The first layer is the radiator using substrate integrated waveguide（SIW）slot array antenna. The second layer is the feeding waveguides which are placed vertically to the radiation waveguides. The planer microstrip cross-shapedSum-and-Difference networ

47、k is designed on the same layer with the feeding waveguides. This antenna has a thickness of about 3 mm. Owing to the SIW，antenna has a very low cost and light weight and it is much easier to implement compared to the traditional monopulse antenna using metal waveguide. And also，low sidelobes are de

48、signed for this antenna array. Good simulation results are obtained from Ansoft HFSS.Keywords: Monopulse radar; SIW; Waveguide slot array; Sum-and-Difference network1 引言 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（No.61001039, No.60501004）單脈沖雷達(dá)天線廣泛應(yīng)用于目標(biāo)定位與跟蹤，它可以僅由單個雷達(dá)脈沖獲知目標(biāo)的方位角，俯仰角以及距離信息。單脈沖雷達(dá)測角原理一般分為相位比較，幅度比較兩種，都需要將天線輻射器分為四個象限，

49、將得到的四個信號進(jìn)行和差處理，分別得到和信號以及兩個差信號，從而得到目標(biāo)位置信息1。傳統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)天線一般使用拋物面天線或者金屬波導(dǎo)平板裂縫天線。拋物面單脈沖天線體積大，重量大，不適合于機(jī)載、彈載使用；金屬波導(dǎo)平板裂縫天線體積較小，但是總體來說重量還是較大，和差網(wǎng)絡(luò)一般都是用波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)，金屬波導(dǎo)比較難以加工，而且成本高?，F(xiàn)在使用介質(zhì)集成波導(dǎo)代替金屬波導(dǎo)2，大大降低了加工難度和成本，而且厚度可以做到很小。饋電波導(dǎo)也使用介質(zhì)集成波導(dǎo)，并將微帶平面和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在饋電波導(dǎo)一層，這總共只用了兩層介質(zhì)。大大降低了天線的厚度。使用波導(dǎo)縫隙陣還便于設(shè)計(jì)為低旁瓣陣列。2 天線設(shè)計(jì)用介質(zhì)集成波導(dǎo)代替金屬波導(dǎo)，

50、設(shè)計(jì)為寬邊縱向開縫的波導(dǎo)縫隙陣列，如圖2所示。所使用的介質(zhì)板介電常數(shù)為3.5，厚度為1.52mm。（a）正面（b）背面圖1 天線總體結(jié)構(gòu)模型2.1 輻射波導(dǎo)設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)單根輻射波導(dǎo)，從一端饋電，達(dá)到匹配，設(shè)計(jì)過程參考文獻(xiàn)3，不再贅述。然后將輻射波導(dǎo)組合為面陣，形成9*9元陣列，如圖3所示。圖2 輻射波導(dǎo)模型 圖3 9*9元波導(dǎo)縫隙陣列2.2 饋電波導(dǎo)設(shè)計(jì)饋電波導(dǎo)也由介質(zhì)集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，寬邊傾斜開縫給輻射波導(dǎo)饋電，如圖4所示。設(shè)計(jì)過程參考文獻(xiàn)3，不再贅述。圖4 饋電波導(dǎo)模型2.3 和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用微帶平面“十字”和差網(wǎng)絡(luò)4，原理圖如圖5所示。上下是四個輸入端口，左右是四個輸出端口。其中0/903d

51、B耦合器采用三分支結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)帶寬較寬5，如圖6所示。圖5 和差網(wǎng)絡(luò)原理圖圖6 三分支90相移3dB耦合器按照圖5原理，連接之后的仿真模型如圖7所示。圖7 和差網(wǎng)絡(luò)仿真模型最后將各個部件組合，介質(zhì)集成波導(dǎo)與微帶線之間由微帶梯形漸變線轉(zhuǎn)換，最后得到天線的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。3 仿真結(jié)果由于篇幅有限，仿真結(jié)果中只取了部分有代表性的曲線，沒能詳盡的列出所有結(jié)果。3.1 和差網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果從以上結(jié)果可以看出，和差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是符合要求的，在10.5GHz處，各輸入端口到輸出端口的功率差異在0.2dB以內(nèi)，和端口相位差在4以內(nèi)，差端口相位差與理想的180僅有2差異。圖8 各輸入端口到輸出端口的功率圖9

52、和端口輸出相位曲線圖10 差端口輸出相位曲線3.2 天線整體仿真結(jié)果A代表方位面（Azimuth）E代表俯仰面（Elevation）圖11 天線和波束和波束增益達(dá)到24.5dB。圖12 天線差波束差波束零深達(dá)到-27dB。圖13 天線和波束與差波束的對比和差矛盾小于4dB。4 結(jié)論用介質(zhì)集成波導(dǎo)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬波導(dǎo)，設(shè)計(jì)的平板裂縫天線重量和成本都大幅度降低，而天線性能幾乎不受影響，文中仿真了平面的微帶和差網(wǎng)絡(luò)，帶寬較寬，可直接由基板印刷得到，加工簡單。由仿真結(jié)果看出，天線增益達(dá)到近25dB，旁瓣電平在-18dB以下，差信號零深-30dB，很好的滿足了X波段單脈沖雷達(dá)天線的性能指標(biāo)。由于天線計(jì)算

53、量較大，所以只仿真了10.5GHz時的性能，四個端口S11都在-15dB以下，說明匹配較好。天線總厚度僅為兩層介質(zhì)板厚度，相比傳統(tǒng)的使用金屬波導(dǎo)縫隙陣和波導(dǎo)魔T和差網(wǎng)絡(luò)的單脈沖天線而言，厚度大幅度減小。參 考 文 獻(xiàn)1 丁鷺飛，耿富錄，雷達(dá)原理（修訂版）. 西安電子科技大學(xué)出版社，1995.2 L. Yan，W. Hong，K. Wu，T.J. Cui，Investigations on the propagation characteristics of the substrate integrated waveguide based on the method of lines，Micro

54、w. Antennas Propag. Vol. 152，No.1，2005，pp. 35-423 Sara Hameed Dar，Zubair Ahmed，Mojeeb Bin Ihsan，Characterization of waveguide slots using full wave EM analysis software HFSS，Proceedings of the 12th IEEE International Multitopic Conference，2008，pp. 85-904 方大剛，陳曉光，盛衛(wèi)星，王昊. 一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型微帶單脈沖天線陣，南京理工大學(xué)學(xué)報，Vo

55、l.27，No.5，2003.，pp.473-4775 都亮，平面單脈沖天線的研究，南京理工大學(xué)，2007，pp.17-20作者簡介：李波，男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航天線、波導(dǎo)縫隙天線、單脈沖雷達(dá)天線等；蔣延生，男，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌雠c微波技術(shù)、天線與電波傳播、超寬帶雷達(dá)成像等；張安學(xué)，男，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌瑢拵炀€及其陣列技術(shù)，超寬帶雷達(dá)信號處理及其目標(biāo)檢測、識別算法研究，超材料理論及其應(yīng)用等。應(yīng)用于瞬態(tài)脈沖輻射的超寬帶電磁振子天線設(shè)計(jì)陳伶璐 廖 成 張 敏 常 雷 唐麗娟（西南交通大學(xué)電磁所，成都 610031）zjwycll摘 要：基于對天線

56、近場域能量分布的研究，本文設(shè)計(jì)了一款由電單極子和磁振子組成的超寬帶電磁振子天線，并由時域有限差分法（FDTD）模擬了電磁振子天線的輻射特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，由單極脈沖激勵的電磁振子天線，在H面內(nèi)具有軸對稱的心形能量方向圖，E面能量方向圖非軸對稱，輻射最大值方向向上偏移約30，在100MHz-1600MHz頻段內(nèi)具有良好的電壓駐波比（VSWR）特性。該天線結(jié)構(gòu)簡單，相對體積小，瞬態(tài)輻射性能優(yōu)異，適用于超寬帶電磁脈沖輻射的天線陣列的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：超寬帶，瞬態(tài)脈沖，電磁振子，能量方向圖A Ultra-Wideband Combined-Oscillator Antenna Design for Transient ApplicationLing-lu CHEN，Cheng LIAO，Min ZHANG，Lei CHANG，Li-juan Tang（Institute of Electromagnetics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031）Abstract: A ultra-wideband combined-oscillator