一种直线阵馈电抛物柱面天线的分析与设计.doc

直线阵馈电抛物柱面天线的分析与设计
吴素云

摘 要 本文对一种直线阵馈电抛物柱面天线进行了研究，并给出了抛物柱面和馈源的口径场分析方法以及仿真结果。根据理论分析和仿真结果研制出的天线具有宽频带、高增益和全口径增益宽角覆盖能力等优良的电气性能。
关键词 直线阵 抛物柱面 宽频带
Analyze and Design of parabolic cylindrical antenna with feed for linear arrays
WU suyun
（The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China）
Abstract：This paper makes research 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 apabilities such as wide frequency band ,high gain ,gaining wide-angle covering abilities in full aperture ,and so on .
Keywords：linear array，parabolic cylinder，wideband

1 引言
随着电磁环境的日趋复杂，电磁信号越来越密集，威胁目标种类越来越多样化，以常规的单波束天线组成的系统越来越难于适应现代装备的需要，而以直线阵馈电抛物柱面天线可以在一定的方位面、俯仰面内形成同时多方向的波束簇，在宽频带范围内，能快速地对应于不同方位、不同仰角方向上的各种目标，实现频率和方向的双重瞄准，且具有空间功率的合成能力。如果在每个天线单元后接入中等功率的功放，就能以大的等效辐射功率去干扰多个目标。在对目标进行干扰时，抛物柱反射体不动全由线阵馈源系统的波束间转换来实现，可机扫也可电扫，有效地减小干扰盲区，在电子战中有很大的应用潜力。
2 总体思路
该天线系统由抛物柱面反射体和沿焦线设置的多喇叭直线阵馈源组成。反射体由抛物线母线绕焦线平移而成。这样的反射体在俯仰面具有聚焦特性只压窄俯仰波束，而在方位面上只具有反射作用，保持了直线阵馈源在方位面上的波束特性。该天线系统采用偏馈设计和通过阵列馈源恒波束设计以达到降低馈源遮挡和解决宽频带使用时反射体边缘漏损问题。该方案集成了阵列天线的快速扫描和抛物面天线聚焦特性，解决了天线宽频带、高增益的需求。
3 设计原理及分析
抛物柱面天线是一抛物线沿一直线平移而成，如图1所示，其焦线为一直线，抛物柱面的馈源可以有多种形式，可以为同相线源，也可以为位于焦线某一点的放置的点源。

图1 抛物柱面天线
直线阵馈电抛物柱面天线由抛物柱面反射体和沿焦线设置的多喇叭直线阵馈源组成。直线阵馈源相位中心位于抛物柱面的焦线之上，故在天线口径上的场是同相的，馈源为同相线源。反射体由抛物线母线绕焦线平移而成。这样的反射体在俯仰面具有聚焦特性只压窄俯仰波束，而在方位面上只具有反射作用，保持了直线阵馈源在方位面上的波束特性。该天线系统采用偏馈设计和通过阵列馈源恒波束设计以达到降低馈源遮挡和解决宽频带使用时反射体边缘漏损问题。
3.1 抛物柱面反射体设计
使用抛物柱面的目的是压窄波束的俯仰波束宽度以提高天线增益。抛物柱面的波束宽度确定，则抛物柱面随之而定。根据设计要求俯仰波束宽度为10°，按此要求可算出抛物柱面的口径D：
(1)
由于天线需工作在3个倍频程频带内，从上式可以看出波束宽度和频率成比例变化。
为了减少口径遮挡，采用全偏置馈电，如图1所示：

图2 单偏置抛物柱面的设计参数
其中，D为单偏置抛物面在xoy平面的投影直径，又称单偏置抛物面天线的口径。D为单偏置抛物面的净距。由图可知
(2)
(3)
(4)
在单偏置抛物面天线的设计中，d的选择原则是以馈源对偏置抛物面下缘的反射线不遮挡为出发点，并且注意到如果大于5°天线增益会明显下降。对单偏置抛物面天线一般选定和的值进行设计。由于馈源尺寸相对抛物面口径比较大，所以一般取5°，则有确定了天线口径D，已知馈源的波束宽度便可以求出抛物柱面的焦距。
确定了、D ，抛物柱面在俯仰的形状便基本确定，而抛物柱面的长度选择应使方位波束扫描到边波束时漏损最小，边缘照射电平应控制在≤-10dB以下，按这个原则，天线方位面10dB波束宽度大约在20°左右（低频端），考虑到抛物柱面还在天线的近场区，波束宽度有所展宽，假设此时天线合成波束宽度为40度，则抛物柱面的长度可按如下公式确定：
(5)
式中 为天线的波束扫描角度，为天线10dB波束宽度。
3.2 计算反射面的辐射场
研究面天线的辐射场问题有两种方法。第一种方法是口面场方法，即朱兰成公式法和E模辐射场公式法。当口面直径与波长相比拟时，采用E模辐射场法所得的结果更接近于实测结果，其主极化场与朱兰成公式的结果也基本相近。第二种方法是表面电流法即镜面电流法，它的基点是先计算初级馈源辐射场在反射镜表面所激励的镜面电流，然后再利用朱兰成公式求镜面电流所产生的辐射场。朱兰成公式法和E模辐射场公式法都属于几何光学法，而镜面电流法采用物理光学法计算辐射场，精度更高。本文采用更精确的镜面电流法推导出抛物柱面反射体的辐射场。
对于抛物柱面天线远区场可表示为
(6)
(7)
(8)
(9)
则绝对方向图可表示为：
(10)
通过坐标转换和计算机编程计算获得抛物柱面反射体天线远区场的数值结果。
3.3 馈源设计
馈源采用32个喇叭单元H面组阵，方位电扫实现覆盖60°空间，为不出现栅瓣，单元间距应满足：
为最小工作波长 (11)
为表述方便，采用柱坐标系表示圆弧口径的喇叭的坐标关系如下：
其场分量和坐标关系可表示为

(12)

图3 喇叭坐标系示意图
对于一个具有圆弧口径的喇叭，忽略口径上的反射，其场表达式可表示为：
(13)
(14)
(15)
对于H面弯曲口径，其场分量可表示为：
， (16)
(17)
其远区场方向性函数可表示为：

(18)
通过改变，可以改变喇叭的远场方向性函数的数值。实现特定的波束设计。
3.4 仿真设计验证
用 用公式计算出天线阵尺寸后，再通过 ADF仿真软件对天线进行仿真
3.4.1 单元喇叭仿真设计
喇叭结构为对称结构，因此可以只取1/4模型，在划分网格时进行网格镜象处理，单元喇叭结果如图4、图5所示。

图4 喇叭电流密度分布

图5 喇叭方向性系数，Phi=0/90，直角坐标系
图4和图5给出了喇叭单元的电流密度分布和方向性系数，从上图可以观察出喇叭单元满足设计要求。
3.4.2 喇叭＋反射体仿真设计
由于受到计算机配置的限制，整个喇叭阵和反射体一起放在ADF中仿真比较困难，考虑到喇叭组阵方向和反射体焦线方向一致，则喇叭组阵方向的方向图经反射体后只改变了方向，波束宽度基本不变，而喇叭阵非组阵边方向图与喇叭单元方向图保持一致，该侧方向图经反射体后方向图形状将受到反射体的调制。因此，采用喇叭单元+反射体一体仿真可以直观反映喇叭阵经反射体反射后方向图的变化情况。图6给出了在ADF中的仿真模型。

图6 ADF中喇叭＋反射面模型

图7 ADF中喇叭＋反射面仿真方向图
图7给出了该模型的仿真方向图，图中红线为直线阵馈源的方向性系数，黑线为经反射面后的方向性系数，可以看出，方向性系数在有馈源的一侧副瓣较高是由于馈源的遮挡造成的，在实际设计中应尽量消除馈源遮挡对方向图的影响。
4 设计与实测结果
从上述给出的设计公式和仿真结果出发，结合工程需要，研制了该直线阵馈电抛物柱面天线，并进行了测试，测试结果如下：

图8 中心频率E面实测方向图

从图中可以看出，该直线阵馈电抛物柱面天线配上馈电网络可实现E面32个波束瞬时覆盖60°、H面覆盖10°空域，波束一致性小于2dB,波束间隔介于2.6°～3.4°，E面副瓣电平小于11dB，H面副瓣电平小18 dB (等幅馈电状态)。
5 结论
根据抛物面天线和线阵天线的设计分析方法，计算仿真了直线阵馈电的抛物柱面天线，可以达到与理论近似的结果，根据该设计结果研制的直线阵馈电抛物柱面天线已成功应用于某型装备中。

参考文献
1 A．W．Rudge: “Offset Parabolic Reflector Antenna A Review ” IEEE Transactions on Antennas And Propagation,Vol.Ap-66 No.12 ,December,1978,pp.1592-1605.
2 杨可忠，“偏置抛物面天线”，电子信息技术，1982.3，PP.11-22
3 S.Silver,Microwave Antenna Theory and Design ,R.L.Series New York
4 M.Singh And G.S.Sanyal “Directional Properties of Nonpalanar Aperture-Type Antennas ”,IEEE Transactions on Antennas And Propagation ,Vol .Ap-26,No.6,November 1978
5 “天线工程手册” 电子工业出版社，2002
6 “相控阵天线手册” 电子工业出版社，2007

图9 H面实测方向图