一種多波段正交雙線極化喇叭天線的研制

一種多波段正交雙線極化喇叭天線的研制

0新型干擾機天線在現(xiàn)代信息和三維戰(zhàn)爭中，隨著防空技術(shù)和空武器裝備（空武器裝備）的發(fā)展，戰(zhàn)斗環(huán)境變得越來越嚴格，其固有的優(yōu)勢面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。如何有效地提高我軍主戰(zhàn)戰(zhàn)機在日益復(fù)雜電磁環(huán)境下編隊突防和生存能力,具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。航空電子技術(shù)與武器裝備體系中,機載雷達干擾機系統(tǒng)可以對地面或者空中威脅雷達實施有源電子干擾,降低敵方武器系統(tǒng)效能,以實現(xiàn)有源自衛(wèi),達到提高載機自身戰(zhàn)場生存能力的目的。某型雷達干擾機天線用于X波段機載雷達干擾機系統(tǒng)。由于特殊的應(yīng)用對象及使用環(huán)境,該干擾機系統(tǒng)對天線性能有特定要求。首先,干擾目標為X波段敵方雷達,屬于非合作、非友好目標,其電磁波頻率與極化方式未知,所以干擾機天線應(yīng)具有寬頻帶、雙線極化特性,對該頻段敵方水平極化或者垂直極化雷達均能實施有效干擾;其次,敵方雷達具體方位未知,干擾機天線波束要求能夠覆蓋一定的空域范圍;最后,機載干擾機天線必須適應(yīng)載機特殊的工作環(huán)境條件,沖擊、振動、高低溫等環(huán)境適應(yīng)性特性應(yīng)優(yōu)良。為了滿足系統(tǒng)對干擾機天線特定的性能要求,天線電氣性能必須具有X波段全頻段的正交雙線極化特性,且結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡可能采用金屬腔體形式?；趯ΨQ五端口分支形式的正交模耦合器(OMT),本文提出了一種新型寬帶正交雙線極化喇叭天線。在理論分析與仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上,加工了天線工程樣機并進行了實際調(diào)試與測試工作。驗證試驗結(jié)果表明,在所要求的工作頻段內(nèi)該天線具有優(yōu)良電氣與結(jié)構(gòu)特性,可用于機載雷達干擾機系統(tǒng)。1理論分析與模擬設(shè)計1.1正交模耦合器考慮到工作帶寬、極化方式以及結(jié)構(gòu)強度等方面的實際要求,采用角錐喇叭形式進行設(shè)計。調(diào)整角錐喇叭的開口結(jié)構(gòu)尺寸可保證天線特定覆蓋空域的增益要求。為了實現(xiàn)雙端口正交雙線極化特性,在同一頻率上使用極化方式不同且相互隔離的通道,就要采用正交模耦合器。正交模耦合器(OMT)為三端口網(wǎng)絡(luò),其可鑒別公共端口上兩個正交主模的獨立信號并將它們供給單一信號端口,使所有端口匹配且在兩個單一信號端口之間具有高的極化鑒別能力。圖1所示為天線設(shè)計方案示意圖。1.2對稱五端口自適應(yīng)控制器設(shè)計及驗證天線工作于X波段全頻段,為了滿足設(shè)計要求并保留一定的設(shè)計余量,就需要采用帶寬大于40%的正交模耦合器。但是,常規(guī)設(shè)計的正交模耦合器帶寬只有10%~15%。正交模耦合器寬帶化設(shè)計的關(guān)鍵是公共波導中分支結(jié)構(gòu)的設(shè)計,因為公共波導內(nèi)易激勵高次模而制約工作帶寬。經(jīng)分析認為,如果分支結(jié)構(gòu)相對于兩個主模都是對稱的,這樣就不易激勵出高次模,一定程度上抑制了高次模的產(chǎn)生或者使其凋落。為了實現(xiàn)對稱性要求,本設(shè)計提出了具有雙接頭形式的對稱五端口分支結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖2中,控制正交極化信號(TE10和TE01)的公共方波導端口直接正對縱向雙接頭,該接頭有波導橫截面端口P1和P2。第二個雙接頭提供端口P3和P4,該接頭由一對分別位于分支段側(cè)壁的E面T組成。五端口分支內(nèi)部的隔板和側(cè)壁分支端口處的感性金屬柱是影響帶寬和模式匹配的關(guān)鍵。側(cè)壁雙接頭端口的寬帶匹配是通過在分支區(qū)域內(nèi)臺階金屬隔板實現(xiàn)的。通過調(diào)整隔板的臺階數(shù)量和尺寸,可以達到匹配。隔板與側(cè)壁連接并將縱向雙接頭分隔成端口P1和P2。縱向雙接頭的匹配是通過位于側(cè)壁雙接頭端口處的電感柱來實現(xiàn)。由于P1~P4每個端口的能量為其對應(yīng)主模能量的一半,因此必須采用功率合成器組合,以便在總端口上提供給定極化總的信號能量。縱向雙接頭端口P1和P2與圖3中功率合成器A連接實現(xiàn)極化分離后模式TE10的兩路信號分量的合成。側(cè)壁雙接頭端口P3和P4與圖4中功率合成器B連接實現(xiàn)極化分離后模式TE01的兩路信號分量的合成。根據(jù)上述設(shè)計分析,將對稱五端口分支結(jié)構(gòu)、功率合成器1以及功率合成器2組合得到完整設(shè)計的正交模耦合器,如圖5所示。利用AnsoftHFSS軟件對所設(shè)計的正交模耦合器進行了仿真優(yōu)化,圖6~圖8給出了電性能仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可以看出,在所要求的工作頻段內(nèi),兩個正交極化端口電壓駐波比小于1.4,端口隔離度優(yōu)于66dB,插入損耗小于0.15dB。1.3天線模型與仿真在正交模耦合器設(shè)計完成以后,按照既定的設(shè)計方案設(shè)計了雙極化天線。所設(shè)計的天線模型如圖9所示。利用軟件對該天線進行了仿真優(yōu)化。圖10為工作頻段內(nèi)電壓駐波比隨頻率變化曲線,圖11為兩正交極化端口隔離度隨頻率變化曲線。可見,所設(shè)計的天線具有優(yōu)良的寬帶正交雙線極化特性。2輻射特性實測結(jié)果在理論分析與仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上,加工了天線工程樣機,如圖12所示。在微波暗室環(huán)境條件下對樣機進行了試驗驗證,主要包括電壓駐波比、極化端口隔離度以及輻射特性(方向圖和增益)等測試。由圖13和圖14實測結(jié)果可見,在所要求的工作頻段內(nèi),天線垂直極化端口電壓駐波比最大1.3,水平極化端口電壓駐波比最大1.8,兩極化端口隔離度優(yōu)于50dB。實測結(jié)果與仿真結(jié)果略有差異,主要是由于加工精度、測試環(huán)境等隨機因素引起的。在微波暗室遠場條件下,對加工的天線樣機輻射特性進行了實測。圖15和圖16為垂直極化端口(Port1)饋電時,即垂直極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。圖17和圖18為水平極化端口(Port2)饋電時,即水平極化俯仰面及方位面歸一化方向圖。而圖19為天線正交雙線極化的實測增益。通過輻射特性實測結(jié)果可見,所設(shè)計的天線正交雙線極化輻射方向圖能夠滿足系統(tǒng)特定的波束覆蓋空域要求。兩種極化帶內(nèi)增益穩(wěn)定,且軸向增益差不超過0.5dB。因此,所設(shè)計的天線具有優(yōu)良的輻射性能。3天線的試驗驗證本文介紹了一種可用于X波段機載雷達干擾機系統(tǒng)的喇叭天線,該天線具有X波段全頻段的正交雙線極化特性。設(shè)計中提出了一種基于對稱五端口分支形式的正交模耦合器,