一種直線陣饋電拋物柱面天線的分析與設(shè)計

1、直線陣饋電拋物柱面天線的分析與設(shè)計吳素云摘 要 本文對一種直線陣饋電拋物柱面天線進行了研究，并給出了拋物柱面和饋源的口徑場分析方法以及仿真結(jié)果。根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果研制出的天線具有寬頻帶、高增益和全口徑增益寬角覆蓋能力等優(yōu)良的電氣性能。關(guān)鍵詞 直線陣 拋物柱面 寬頻帶 Analyze and Design of parabolic cylindrical antenna with feed for linear arraysWU suyun（The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China）Abstract：This paper makes re

2、search on parabolic cylindrical antenna with feed for linear arrays,generates aperture-field analysis methods and simulation results of parabolic cylinder and feed .The antenna which is manufactured according to the theoretical analysis and simulation results.performances excellent electric apabilit

3、ies such as wide frequency band ,high gain ,gaining wide-angle covering abilities in full aperture ,and so on .Keywords：linear array，parabolic cylinder，wideband1 引言隨著電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，電磁信號越來越密集，威脅目標種類越來越多樣化，以常規(guī)的單波束天線組成的系統(tǒng)越來越難于適應(yīng)現(xiàn)代裝備的需要，而以直線陣饋電拋物柱面天線可以在一定的方位面、俯仰面內(nèi)形成同時多方向的波束簇，在寬頻帶范圍內(nèi)，能快速地對應(yīng)于不同方位、不同仰角方向上的各種目標，

4、實現(xiàn)頻率和方向的雙重瞄準，且具有空間功率的合成能力。如果在每個天線單元后接入中等功率的功放，就能以大的等效輻射功率去干擾多個目標。在對目標進行干擾時，拋物柱反射體不動全由線陣饋源系統(tǒng)的波束間轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，可機掃也可電掃，有效地減小干擾盲區(qū)，在電子戰(zhàn)中有很大的應(yīng)用潛力。2 總體思路 該天線系統(tǒng)由拋物柱面反射體和沿焦線設(shè)置的多喇叭直線陣饋源組成。反射體由拋物線母線繞焦線平移而成。這樣的反射體在俯仰面具有聚焦特性只壓窄俯仰波束，而在方位面上只具有反射作用，保持了直線陣饋源在方位面上的波束特性。該天線系統(tǒng)采用偏饋設(shè)計和通過陣列饋源恒波束設(shè)計以達到降低饋源遮擋和解決寬頻帶使用時反射體邊緣漏損問題。該方案集

5、成了陣列天線的快速掃描和拋物面天線聚焦特性，解決了天線寬頻帶、高增益的需求。3 設(shè)計原理及分析 拋物柱面天線是一拋物線沿一直線平移而成，如圖1所示，其焦線為一直線，拋物柱面的饋源可以有多種形式，可以為同相線源，也可以為位于焦線某一點的放置的點源。圖1 拋物柱面天線直線陣饋電拋物柱面天線由拋物柱面反射體和沿焦線設(shè)置的多喇叭直線陣饋源組成。直線陣饋源相位中心位于拋物柱面的焦線之上，故在天線口徑上的場是同相的，饋源為同相線源。反射體由拋物線母線繞焦線平移而成。這樣的反射體在俯仰面具有聚焦特性只壓窄俯仰波束，而在方位面上只具有反射作用，保持了直線陣饋源在方位面上的波束特性。該天線系統(tǒng)采用偏饋設(shè)計和通過

6、陣列饋源恒波束設(shè)計以達到降低饋源遮擋和解決寬頻帶使用時反射體邊緣漏損問題。3.1 拋物柱面反射體設(shè)計 使用拋物柱面的目的是壓窄波束的俯仰波束寬度以提高天線增益。拋物柱面的波束寬度確定，則拋物柱面隨之而定。根據(jù)設(shè)計要求俯仰波束寬度為10，按此要求可算出拋物柱面的口徑D： (1)由于天線需工作在3個倍頻程頻帶內(nèi)，從上式可以看出波束寬度和頻率成比例變化。為了減少口徑遮擋，采用全偏置饋電，如圖1所示：圖2 單偏置拋物柱面的設(shè)計參數(shù)其中，D為單偏置拋物面在xoy平面的投影直徑，又稱單偏置拋物面天線的口徑。D為單偏置拋物面的凈距。由圖可知 (2) (3) (4)在單偏置拋物面天線的設(shè)計中，d的選擇原則是以

7、饋源對偏置拋物面下緣的反射線不遮擋為出發(fā)點，并且注意到如果大于5天線增益會明顯下降。對單偏置拋物面天線一般選定和的值進行設(shè)計。由于饋源尺寸相對拋物面口徑比較大，所以一般取5，則有確定了天線口徑D，已知饋源的波束寬度便可以求出拋物柱面的焦距。確定了、D ，拋物柱面在俯仰的形狀便基本確定，而拋物柱面的長度選擇應(yīng)使方位波束掃描到邊波束時漏損最小，邊緣照射電平應(yīng)控制在-10dB以下，按這個原則，天線方位面10dB波束寬度大約在20左右（低頻端），考慮到拋物柱面還在天線的近場區(qū)，波束寬度有所展寬，假設(shè)此時天線合成波束寬度為40度，則拋物柱面的長度可按如下公式確定： (5)式中 為天線的波束掃描角度，為天

8、線10dB波束寬度。3.2 計算反射面的輻射場研究面天線的輻射場問題有兩種方法。第一種方法是口面場方法，即朱蘭成公式法和E模輻射場公式法。當口面直徑與波長相比擬時，采用E模輻射場法所得的結(jié)果更接近于實測結(jié)果，其主極化場與朱蘭成公式的結(jié)果也基本相近。第二種方法是表面電流法即鏡面電流法，它的基點是先計算初級饋源輻射場在反射鏡表面所激勵的鏡面電流，然后再利用朱蘭成公式求鏡面電流所產(chǎn)生的輻射場。朱蘭成公式法和E模輻射場公式法都屬于幾何光學法，而鏡面電流法采用物理光學法計算輻射場，精度更高。本文采用更精確的鏡面電流法推導(dǎo)出拋物柱面反射體的輻射場。對于拋物柱面天線遠區(qū)場可表示為 (6)(7) (8) (9

9、)則絕對方向圖可表示為： (10) 通過坐標轉(zhuǎn)換和計算機編程計算，獲得拋物柱面反射體天線遠區(qū)場的數(shù)值結(jié)果。3.3 饋源設(shè)計饋源采用32個喇叭單元H面組陣，方位電掃實現(xiàn)覆蓋60空間，為不出現(xiàn)柵瓣，單元間距應(yīng)滿足： 為最小工作波長 (11)為表述方便，采用柱坐標系表示圓弧口徑的喇叭的坐標關(guān)系如下：其場分量和坐標關(guān)系可表示為 (12) 圖3 喇叭坐標系示意圖對于一個具有圓弧口徑的喇叭，忽略口徑上的反射，其場表達式可表示為： (13) (14) (15)對于H面彎曲口徑，其場分量可表示為： ， (16) (17)其遠區(qū)場方向性函數(shù)可表示為： (18)通過改變，可以改變喇叭的遠場方向性函數(shù)的數(shù)值。實現(xiàn)特

10、定的波束設(shè)計。3.4 仿真設(shè)計驗證用 用公式計算出天線陣尺寸后，再通過 ADF仿真軟件對天線進行仿真3.4.1 單元喇叭仿真設(shè)計 喇叭結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以只取1/4模型，在劃分網(wǎng)格時進行網(wǎng)格鏡象處理，單元喇叭結(jié)果如圖4、圖5所示。 圖4 喇叭電流密度分布圖5 喇叭方向性系數(shù)，Phi=0/90，直角坐標系圖4和圖5給出了喇叭單元的電流密度分布和方向性系數(shù)，從上圖可以觀察出喇叭單元滿足設(shè)計要求。3.4.2 喇叭反射體仿真設(shè)計 由于受到計算機配置的限制，整個喇叭陣和反射體一起放在ADF中仿真比較困難，考慮到喇叭組陣方向和反射體焦線方向一致，則喇叭組陣方向的方向圖經(jīng)反射體后只改變了方向，波束寬度基

11、本不變，而喇叭陣非組陣邊方向圖與喇叭單元方向圖保持一致，該側(cè)方向圖經(jīng)反射體后方向圖形狀將受到反射體的調(diào)制。因此，采用喇叭單元+反射體一體仿真可以直觀反映喇叭陣經(jīng)反射體反射后方向圖的變化情況。圖6給出了在ADF中的仿真模型。圖6 ADF中喇叭反射面模型圖7 ADF中喇叭反射面仿真方向圖圖7給出了該模型的仿真方向圖，圖中紅線為直線陣饋源的方向性系數(shù)，黑線為經(jīng)反射面后的方向性系數(shù)，可以看出，方向性系數(shù)在有饋源的一側(cè)副瓣較高是由于饋源的遮擋造成的，在實際設(shè)計中應(yīng)盡量消除饋源遮擋對方向圖的影響。4 設(shè)計與實測結(jié)果 從上述給出的設(shè)計公式和仿真結(jié)果出發(fā)，結(jié)合工程需要，研制了該直線陣饋電拋物柱面天線，并進行了

12、測試，測試結(jié)果如下： 圖8 中心頻率E面實測方向圖 從圖中可以看出，該直線陣饋電拋物柱面天線配上饋電網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)E面32個波束瞬時覆蓋60、H面覆蓋10空域，波束一致性小于2dB,波束間隔介于2.63.4，E面副瓣電平小于11dB，H面副瓣電平小18 dB (等幅饋電狀態(tài))。5 結(jié)論根據(jù)拋物面天線和線陣天線的設(shè)計分析方法，計算仿真了直線陣饋電的拋物柱面天線，可以達到與理論近似的結(jié)果，根據(jù)該設(shè)計結(jié)果研制的直線陣饋電拋物柱面天線已成功應(yīng)用于某型裝備中。參考文獻1 AWRudge: “Offset Parabolic Reflector Antenna A Review ” IEEE Transactions on Antennas And Propagation,Vol.Ap-66 No.12 ,December,1978,pp.1592-1605.2 楊可忠，“偏置拋物面天線”，電子信息技術(shù)，1982.3，PP.11-223 S.Silver,Microwave Antenna Theory and Design ,R.L.Series New York4 M.Singh And G.S.San