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一种X/Ka双频双极化共口径连续波雷达天线设计

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李运志胡卫东金秀梅

摘要

针对连续波雷达体制要求，基于X波段透射，Ka波段反射的频率选择表面原理，设计了一种X/Ka双频双极化共口径反射面天线。采用收发天线分置和加载隔离筒等技术手段，达到改善天线端口隔离度的目的。实测结果表明，X波段的最大增益达到44dB，3dB波束宽度≤1.00°;Ka波段的法向增益达到54dB，3dB波束宽度≤0.33°，收发天线隔离度达到90dB以上。

关键词

X波段;Ka波段;双极化;FSS

中图分类号：TN822????文献标识码：A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.066

0引言

频率选择表面（FrequencySelectiveSurface，简称FSS）是指在介质表面周期性排布的金属贴片单元或者在金属屏上周期性排布的孔径缝隙单元组成的二维周期结构，具有带阻或者带通的空间滤波特性[1-2]。由于频率选择表面的空间滤波特性，其在多频反射面天线以及天线罩等方面得到非常廣泛的应用[3-4]。

由于卡塞格伦天线的设计灵活，并且具有增益高、低馈线损耗、口径效率高、结构相对简单等优势，已广泛应用于雷达领域。但由于其固有的副反射面、馈源、及支杆遮挡因素的存在，导致天线副瓣明显恶化，特别对于中小口径天线更是如此[5]。

本文通过在副面加载频率选择表面单元，达到X波段能量信号透射，Ka波段能量信号反射，满足X、Ka双频双极化共口径的技术要求。采用收发天线分置、共轴安装方式实现了雷达的连续波工作。

1天线参数设计

1.1天线设计原理

为达到减小馈线损耗的目的，本文采用Ka波段馈源后置，X波段馈源前置的双频共面技术，其天线的设计原理如图1所示。主反射面采用抛物面结构、副反射面采用基于介质基底的FSS结构，其外形轮廓为双曲面，X、Ka波段的馈源喇叭分别位于抛物面的焦点和双曲面的实焦点上。当X波段馈源喇叭发射电磁波后，FSS副反射面对于X波段全部透射，电磁波将被传输到主反射面，从而形成平面波;而当Ka波段馈源喇叭发射电磁波后，FSS副反射面对于Ka波段形成全反射，相当于金属副反射面，根据卡塞格伦天线的几何特性，电磁波经主反射面后形成平面波。

1.2频率选择表面单元设计

本文的频率选择表面的单元采用加载介质基底的环形贴片结构形式，其周期单元的内半径R1为1.05mm，外半径R2为1.45mm，单元宽度Ws为0.4mm，单元周期S为3.2mm。加载介质基底采用低损耗的聚四氟乙烯材料，其介电常数为2.6，介质损耗为0.009。为满足结构强度要求，其基底厚度选用8.5mm。为便于副反射面的加工，在介质表面的频选单元采用环形布局方式。环形单元及整体布局结构示意图如图2所示。

1.3馈源喇叭与天线设计

馈电喇叭采用双模喇叭结构形式。X波段馈源喇叭前置，其照射角度128°，喇叭边缘电平为-16dB。Ka波段馈源喇叭后置，馈源半张角30°，喇叭边缘照射电平约-18dB

天线主反射面为抛物面形式，口径为2400mm，焦径比F/D=0.4，副反射面口径大小140mm。天线整体采用收发天线分置和加载隔离筒的方式，经优化隔离筒的高度和天线间距，天线隔离度达到90dB的技术要求。

2实物加工测试

为验证天线设计有效性，天线实物的暗室测试如图3～4所示。由图可见，在X波段的法向增益为44dB，3dB波束宽度为1.00°，第一副瓣电平为-33.8dB;Ka波段的法向增益为54dB，3dB波束宽度为0.33°，第一副瓣电平为-28.5dB。

3结论

本文设计了一种X、Ka双频共面收发天线，基于环形单元加载的介质型副反射面，X波段馈源前置，Ka波段馈源后置，不仅达到了高增益、低副瓣、低馈线损耗的目的，而且实现了雷达整体的小型化。

参考文献

[1]MunkBA.FrequencySelectiveSurface：theoryanddesign，Wiley，NewYork，2000.1-62.

[2]李小秋，高劲松，赵晶丽.一种适用于雷达罩的频选择表面新单元研究[J].物理学报，2008，57（6）：803-3806.

[3]侯新宇，张澎，卢俊等.一种双曲率雷达罩的频率选择表面分片设计[J].导弹与制导学报，2006，第26卷第1期，PP：123-125.

[4]C.A.Balanis，AntennaTheory-AnalysisandDesign，3rded.Hoboken，NJ，USA：Wiley，2005.

[5]T.Milligan，“Designingclassicalopen-Cassegraindual-reflectorantennasfromc