一种W波段低副瓣卡塞格伦双极化天线设计

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本文设计了一种W 波段双极化卡塞格伦天线。

天线口径为1.0m ，由主反射面、副反射面和馈源喇叭组成。

为降低加工难度和成本，馈源喇叭采用双模喇叭，通过优化各种结构参数，实现天线的低副瓣和高交叉极化特性。

经暗室测试， 天线增益达到56dBi ，副瓣电平小于-25dB ，交叉极化达到30dB 以上，在气象雷达产品中得到良好的应用效果。

毫米波因更易于实现高增益、低旁瓣及更好的角探测精度和分辨力，在气象雷达领域得到飞跃的发展。

云目标往往对不同极化电磁波具有不同的散射特性，为了提离云相态信息的探测能力，毫米波气象雷达需具备双极化工作模式。

作为雷达的关键部件，研制高增益、低副瓣、低交叉极化的双极化天线已成为研究的热点。

由于卡塞格伦天线具有增益高、低交叉极化、馈线波导短、口径效率高等优势，已广泛应用于雷达领域。

特别是在W 波段，因其可以大大改善馈线损耗，更是天线设计者的首选。

本文根据总体项目技术要求，采用正馈圆口径卡塞格伦天线，通过优化馈源、副反射面、支杆等关键部件，实现了在W 波段的高增益、低副瓣、低交叉极化的天线性能。

1 天线设计
1.1 天线参数设计
卡塞格伦天线是双反射面天线中最为常见的一种结构形式，主反射面为抛物面，副反射面为双曲面，馈源的相位中心位于双曲面的一个焦点，而双曲面的另一焦点与抛物面的焦点重合。

正是由于馈源喇叭的后置，大大缩短了馈线长度，降低馈电网络损耗，且便于安装于维修。

对于卡塞格伦天线设计来说，其遮挡主要来源于副反射面口径，因此副面的大小选取显得尤为重要。

根据最小遮挡条件：
式中， k w 为馈源波束宽度常数，为减少副面遮挡，D S 取值应尽量小，同时为避免副面的绕射影响，副面取值至少＞7λ。

考虑到天线口径312l （94.58GHz ）左右，副面与主面相比可以很小，副面可以选择D s / D =0.0816。

焦径比的选择要综合考虑馈源系统的尺寸，交叉极化分量等因素。

在本天线设计中，焦径比F /D =0.275，馈源照射角度（相对副面半张角）为25°，照射电平取-20dB ，则双曲面的离心率e =1.8342，双曲面两焦点之间的距离为f =91.306mm 。

1.2 馈源喇叭设计
馈电喇叭选用变张角变台阶双模喇叭。

这种喇叭具有双极化特
性，其E 面和H 面波瓣等化较好，副瓣也低，交叉极化分量小，E 面和H 面相位中心重合。

它具有圆锥波纹喇叭的特性，但尺寸和重量却比圆锥波纹喇叭小而轻，是一种优良的照射馈源。

因为是后馈，故喇叭从主反射面的中心孔穿出，由中心孔周围的加固结构处生根固定。

本喇叭的输入端圆波导半径为1.1mm ，输出端口径约为3.2λ，即10.2mm 。

后端连接正交模耦合器分离出两个方向的极化信号。

其照射角度约±30°，边缘照射电平约-20dB 。

仿真模型如图1所示，其仿真与测试方向图如图2、3所示。

一种W波段低副瓣卡塞格伦双极化天线设计
安徽四创电子股份有限公司 李运志 金秀梅 赵继明 李德义
图1 馈源喇叭模型
图2 W波段中心频率辐射方向图
图3 馈源喇叭实测方向图
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2 实物加工与测试
根据上述选取的天线参数，利用FEKO 仿真软件对天线进行仿真计算，图4、5为天线的仿真模型及计算结果。

从计算结果可知，天线付瓣电平为-31dB 左右，波束宽度为0.25°，增益约57.5dB ，交叉极化在-44dB 左右。

在进一步考虑支架遮挡、加工公差和装配误
差等因素，仍可满足工程实现的需求。

图4 天线仿真模型示意图
图5 天线方向图仿真结果
图6 天线暗室测试环境
图7 水平极化端口远场方向图
图8 垂直极化端口远场方向图
为检验天线的最终电性能指标，我们在太赫兹暗室进行了近场测试，其测试环境及测试数据如图6、7、8所示。

考虑内部波导馈线损耗，其实测结果与仿真数据基本一致，各项技术指标均达到设计要求，但在-20dB 处方向图出现小的肩膀起伏，经分析是馈源的安装套筒端面没有倒角处理，产生了散射现象，形成相位的二次叠加，最终造成的。

结束语：本文根据W 波段气象雷达对天线的高增益、低副瓣、低交叉极化的要求，通过合理选择卡塞格伦天线设计参数，精密加工和高精度装配技术等手段，完成了大口径卡塞格伦天线的生产，并通过暗室测试。

测试结果表明，天线的性能指标完全达到设计指标要求，对同类型的天线设计具有一定的参考价值。

作者简介：李运志（1983—），男，研究生，天线工程师，主
要研究方向：毫米波天线、天线阵列及馈线的设计。