超宽带抛物环面多波束测向天线设计与分析

赵旭，滕衍强，孙建庆，张青，邢晓俊

（中国航天科工集团8511研究所， 江苏 南京 210007）

0 引言

电子战侦测系统中，测向阵通常为由多个螺旋天线、喇叭天线组成线阵或圆阵，两两单元间或可采用电扫开关依次切换不同的测向单元，进行幅度比较。该方法虽然可减少接收通道数量，节约成本，但天线增益较低、瞬时覆盖角域较窄，截获概率较低，降低了系统的综合性能［1］。

因此，为了在瞬时宽角满足较高的测向精度，就需要高增益、较窄波束宽度的多波束天线。本文介绍了一种多波束抛物环面天线，该天线具有瞬时覆盖角域宽、高增益、方向图指向稳定、俯仰波束宽度可控以及工作带宽可达到3∶1的特点，因而这种天线适合用于宽带侦察系统的高灵敏度侦察和测向设备。

1 天线设计

通常多波束抛物环面天线由抛物环面、馈源阵列以及辅助支撑结构组成。考虑到抛物面设计、加工生产、成本等因素，抛物面采用单抛物环面设计。同时综合考虑馈源工作带宽宽、相位中心稳定、交叉极化小等要求，拟采用比较简单的基本成束法，即每一波束来源于一个天线进行优化设计。因此，这种抛物环面多波束天线具有结构简单、增益损耗小、波束指向稳定以及瞬时覆盖角域可以灵活拓展等优点。在实际工程应用中可以辅助以高精度俯仰转台实现俯仰波束宽角覆盖［2］。

1.1 馈源设计选型及馈源阵设计

馈源设计选型：由于超宽带喇叭天线具有较宽的工作带宽、稳定的相位中心等性能，在宽带馈源领域得到广泛应用，因此优先选用喇叭天线。

馈源阵设计参数：馈源阵阵元采用超宽带双脊喇叭天线形式，馈源间距为35 mm，其夹角约为8.59°。

依据设计要求，工作频段重点考虑X波段，采用某分析软件进行建模仿真验证，天线仿真模型如图1所示，其仿真结果如图2—6所示。

图2 电压驻比波

图3 6 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向图

图5 10 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向图

图6 12 GHz，φ=0°，φ=90°，φ=45°切面方向图

1.2 抛物环面设计

相比于常规抛物面天线，抛物环面在垂直于旋转轴的任何平面内的截线均为一圆弧线，它组合了抛物面天线和球面天线的优点，馈源在圆弧的任一点放置，都不存在偏焦问题，从而具有较好的可控多波束能力，并且在天线整个扫描角度范围内，其增益或效率无明显下降，旁瓣电平无明显上升，天线结构简单，稳定可靠［3］。

抛物环面天线的几何图如图7所示，抛物面母线M绕Z轴旋转形成，其旋转半径为r，其焦点是经过F点、半径为r-f的圆弧。

图7 抛物环面天线几何图

选取抛物线口面直径为2 m，圆弧方向旋转适当角度，得到抛物环面天线的反射面，其投影等效面积为2.7 m×2 m。其方位曲线如图8所示。

图8 2.7 m×2 m天线示意图

1.3 多波束抛物环面的综合仿真设计

依据上述抛物环面的设计约束，采用某软件进行建模仿真验证，图9为仿真模型，仿真结果如图10—12所示。从仿真数据来看，由于天线在结构上方位面旋转对称，所以中心波束和边波束性能基本一致，只是远旁瓣有所差别，与理论设计结果吻合。实测结果如图13—15所示，从实测数据可以看出，多个独立波束增益有约1.5 dB的波动，分析其原因，主要是馈源遮挡、支撑结构及伺服系统等环境影响所致，与理论仿真结果基本吻合。

图9 抛物环面多波束天线仿真模型

图10 6 GHz方位面11波束仿真增益方向图

图11 9 GHz方位面11波束仿真增益方向图

图12 12 GHz方位面11波束仿真增益方向图

图13 6 GHz方位面11波束测试增益方向图

图15 12 GHz方位面11波束测试增益方向图

2 多波束天线性能拓展仿真验证

为进一步验证工作带宽及方位维瞬时覆盖角域的性能拓展方案的有效性，仿真设计了工作频段覆盖Ku波段，方位维瞬时覆盖±60°角域的抛物环面多波束天线，其馈源采用宽带双脊喇叭天线，馈源阵间距为32 mm。

该天线采用某分析软件进行建模仿真分析，仿真模型如图16所示。为了提高仿真效率，模型中实际馈源只覆盖对称的一半角域。计算了中心波束附近多个波束以及在60°边沿波束附近多个波束的特性。仿真结果如图17—19所示，从仿真结果可以看出，工作带宽和瞬时覆盖角域±60°内，可以满足设计需求。

图16 多波束天线仿真模型

图18 12 GHz方位面部分波束仿真增益方向图

图19 18 GHz方位面部分波束仿真增益方向图

3 结束语

本文介绍了一种应用于测向系统的抛物环面天线设计方法，对仿真与实测数据进行了对比分析，且对波束等幅特性进行了定量分析验证。在此基础上，为了满足实际工程应用的需求，还进一步通过理论分析，对工作带宽、瞬时宽角覆盖等电性能指标的可实现性进行了仿真验证，拓展了高增益、多波束体制测向天线的实现方式，具有较高的工程应用价值。