一种直线阵馈电抛物柱面天线的分析与设计

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 ：

HPH D θλ/70*≈ (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

2/21ϕf t g

d = (2) 2

20a

ftg

d D ϕϕ+=+ (3)

⎥⎦⎤⎢⎣

⎡-+=22210ϕϕϕtg tg f D a (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1ϕ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D f /和1ϕ的值进行设计。由于馈源尺寸相对抛物面口径比较大，所以1ϕ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f 。

确定了f 、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：

)tan(221θθ+⨯⨯=f L (5)

式中 1θ为天线的波束扫描角度，2θ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

()

()[]

()ds e e n i f c E k s i jk s s

s s s ⋅--ΘΘ⨯⨯=⎰⎰ρρρρϕθ1, (6)

()(

)[]

()ds

e

e i

f c E k

s i jk s s

s

s s ⋅--ΦΦ⨯⨯=⎰⎰

ρρρϕθ1,(7)

4

2

218⎪

⎭

⎫

⎝⎛-⋅=

a B

ab c λλπ (8)

2

/10

2.

⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛=

-

π

ε

μλT jk R P R e B (9)