專利名稱：一種w波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，屬于目標探測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
W波段是毫米波頻段的一個重要窗口，具有全天候和高分辨力的特點。其又具有本身的固有特點波長短、寬頻帶以及與大氣的相互作用。由于其波長短，使得W波段的設(shè)備具有體積小、重量輕、機動性好的優(yōu)點，這些優(yōu)點正是精確制導武器和各種飛行器所必須具備的，同時在同樣口徑天線下，波長短可以實現(xiàn)窄波束、低副瓣，這樣就能提供極高的精度和良好的分辨力，還能提高低仰角下的探測精度和跟蹤能力；寬頻帶可以降低多徑效應(yīng)和雜波影響，使得系統(tǒng)的抗干擾能力較強，同時對低徑向速度目標可以得到更大的多普勒頻 移，從而提高對慢速目標的發(fā)現(xiàn)能力；與大氣的相互作用使得W波段兼有微波與紅外的部分傳播優(yōu)點。單脈沖天線是在二戰(zhàn)后出現(xiàn)而在五、六十年代迅速發(fā)展起來的一種精密跟蹤天線。單脈沖體制是在圓錐掃描和順序波束轉(zhuǎn)換體制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著航空航天、導彈技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的波束圓錐掃描和波束轉(zhuǎn)換技術(shù)由于對回波幅度起伏敏感、跟蹤誤差大，已不能滿足人們對探測精度、探測距離和抗干擾能力等越來越高的要求。而單脈沖天線是在單個脈沖上同時提供對角誤差敏感所需的波束，同時比較各波束的輸出，從而消除了回波幅度隨時間變化的任何影響。目前比較常用的單脈沖天線有平面微帶陣列天線和卡塞格倫天線，由于W波段頻率高，微帶損耗大，工作于此頻段的模塊都是基于波導端口。因此，在W波段平面微帶陣列天線難于與系統(tǒng)集成、饋電損耗大，對探測器的重量和探測器的探測距離都會造成比較大的影響。W波段單脈沖卡塞格倫天線由喇叭饋源、主反射面、副反射面、固定支架與和差網(wǎng)絡(luò)組成。采用W波段標準波導進行饋電，饋電損耗小并且易于與系統(tǒng)進行集成；利用同時比較波瓣法，即單脈沖天線同時產(chǎn)生幾個單極化波束，用幾個獨立的接收支路，同時接收這幾個波束從目標反射的單個回波信號，然后將這些信號加以比較來獲取目標的角誤差信號。單脈沖定向法，可有效解決傳統(tǒng)的圓錐掃描和順序波束轉(zhuǎn)換對回波幅度起伏敏感、跟蹤誤差大的缺點，并且天線工作于W波段，可獲得更高的精度和分辨力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服傳統(tǒng)圓錐掃描和順序波束轉(zhuǎn)換對回波幅度起伏敏感、跟蹤誤差大和W波段平面微帶陣列天線饋電損耗大、難于與系統(tǒng)集成等缺點，提出了一種W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法。該W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，包括如下步驟步驟I.根據(jù)目標探測裝置對增益的要求和探測裝置的口徑來確定卡塞格倫天線主反射面的直徑；
步驟2.根據(jù)目標探測裝置對天線整體體積和系統(tǒng)噪聲的要求來確定卡塞格倫天線主反射面的焦徑比；步驟3.根據(jù)目標探測裝置對天線副瓣和3dB波束寬度的要求來確定卡塞格倫天線副反射面的直徑和方程；步驟4.根據(jù)單脈沖探測體制和卡塞格倫天線副反射面確定饋源前端喇叭體的伸長量和喇口入張角；步驟5.根據(jù)目標探測裝置對饋源厚度和后端結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求確定卡塞格倫天線饋源后端拐彎波導體；本發(fā)明采用分體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)卡塞格倫天線的饋源，分為饋源前端喇叭和后端拐彎波導兩部分，這兩部分采用螺釘連接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和電氣的互連。步驟6.根據(jù)單脈沖體制和饋源設(shè)計和差網(wǎng)絡(luò)和差網(wǎng)絡(luò)將來自卡塞格倫天線四 個端口的信號形成和、方位差、俯仰差波束三路信號，并將它們饋入單脈沖接收機，實現(xiàn)距離以及角度跟蹤。本發(fā)明中和差網(wǎng)絡(luò)由4個W波段波導多縫隙耦合器組成。步驟7.將步驟I-步驟6設(shè)計好的四喇叭饋源、主反射面、副反射面、和差網(wǎng)絡(luò)、副反射面支撐桿用螺釘連接，組裝形成單脈沖卡塞格倫天線，其中主反射面與副反射面同心，利用主反射面背面的螺釘孔和定位孔設(shè)計工裝，利用工裝安裝副反射面支撐桿，支撐桿裝配完畢后依次安裝饋源和副反射面，最后將和差網(wǎng)絡(luò)與天線進行連接；步驟8.在微波毫米波暗室中分別測量安裝好的單脈沖卡塞格倫天線的和、方位差、俯仰差方向圖和增益特性參數(shù)，確認各項指標滿足目標探測裝置的要求，完成W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計。本發(fā)明的有益效果(I)天線工作在W波段，頻率高，波長短，可實現(xiàn)窄波束和低副瓣，能提供極高的精度和良好的分辨力。(2)采用單脈沖體制，可以消除傳統(tǒng)圓錐掃描和順序波束轉(zhuǎn)換對回波幅度起伏敏感、跟蹤誤差大的缺點；探測時不需要機械擺動。(3)每個脈沖含有角度和距離信息，允許采用信號平均技術(shù)來改善系統(tǒng)性能；能更準確的得到目標特性參數(shù)。(4)饋源采用分體螺釘連接方式，分為前端喇叭體和后端拐彎波導體，當目標探測裝置與天線連接的接口發(fā)生改變時，只需要重新設(shè)計拐彎波導體即可滿足需求。(5)應(yīng)用多工藝復合，針對不同的結(jié)構(gòu)采用特定的工藝方法，保證加工精度。(6)和差網(wǎng)絡(luò)由4個波導多縫隙耦合器構(gòu)成，采用W波段標準波導進行饋電，虧電損耗小并且易于與探測器后端模塊進行電氣和結(jié)構(gòu)連接。


圖I.本發(fā)明一種W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計流程圖。圖2.本發(fā)明具體實施方式
中W波段帶脈沖卡塞格倫天線與和差網(wǎng)絡(luò)一體化主視圖。圖3.本發(fā)明具體實施方式
中W波段卡塞格倫天線的主視圖。
圖4.本發(fā)明具體實施方式
中W波段卡薩格倫天線饋源分體結(jié)構(gòu)視圖。圖5.本發(fā)明具體實施方式
中W波段基于波導縫隙理論的和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖。
具體實施例方式為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明內(nèi)容作進一步說明。本發(fā)明實施以135mm 口徑的92_94GHz單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計過程為例對本發(fā)明內(nèi)容做具體說明，其步驟為步驟I.根據(jù)目標探測裝置對增益的要求和探測裝置的口徑確定卡塞格倫天線主反射面的直徑。由于用途和作用距離的不同，目標探測裝置對天線增益的要求存在區(qū)別，t匕如遠程對地目標探測裝置由于需要有較大的探測距離往往要求天線具有高增益，而對海面目標末段制導探測裝置則不需要天線具有較高的增益。天線要求增益較高時通常需要天線 具有較大的口徑，對于卡塞格倫天線，則要求天線的主反射面具有較大的直徑。另外目標探測裝置的口徑大小也直接決定了卡塞格倫天線主反射面的直徑。本實施例中的卡塞格倫天線需要具有37. 5dB的和增益，目標探測裝置的口徑為135mm,—般情況下卡塞格倫天線的口徑效率在70%左右,通過計算口徑135mm的卡塞格倫天線可以滿足目標探測裝置對增益的要求，即確定天線主反射面的直徑為135_。步驟2.根據(jù)目標探測裝置對天線整體體積和系統(tǒng)噪聲的要求確定卡塞格倫天線主反射面的焦徑比。設(shè)計卡塞格倫天線，首先就要確定主反射面的焦徑比，焦徑比取的小，則拋物面深度小，最小遮擋比小，饋源前伸量小，系統(tǒng)整體噪聲低；焦徑比取的大可提高饋源偏焦工作的性能，但會增大天線整體體積。本天線采用單脈沖探測體制，應(yīng)用四喇叭饋源，每個喇叭都是偏焦工作，通過目標探測裝置對天線體積和噪聲的要求，合理選取主反射面的焦徑比，使天線工作在最佳狀態(tài)。本實施例中目標探測裝置要求天線整體所占體積和系統(tǒng)噪聲盡可能小，則主反射面的深度要盡可能小，所以選取焦徑比應(yīng)盡可能的小，這里我們選取焦徑比為O. 3，則主反射面的焦距為40. 5mm,結(jié)合步驟I中確定的主反射面的直徑為135mm,可確定卡塞格倫天線的主反射面,如圖3所示。步驟3.根據(jù)目標探測裝置對天線副瓣和3dB波束寬度的要求確定卡塞格倫天線的副反射面。目標探測裝置工作時只使用天線的主瓣波束，那么就要盡可能的使天線輻射出去的能量被主瓣覆蓋，降低天線的旁瓣，副反射面直徑和方程對天線副瓣和波束寬度都有較大影響，根據(jù)目標探測裝置的應(yīng)用需求，合理的選取副反射面參數(shù)。本實施例中目標探測裝置要求天線副瓣小于_15dB，E面波束寬度和H面波束寬度都為I. 5度。按照卡式天線放大率M=10，副反射面的直徑不大于主面直徑的20%來設(shè)計可滿足上述要求，通過公式計算可得副反射面的方程和直徑，即確定天線的副反射面，如圖3所示。步驟4.根據(jù)單脈沖探測體制和卡塞格倫天線副反射面確定饋源前端喇叭體的伸長量和喇叭張角。單脈沖體制是在圓錐掃描和順序波束轉(zhuǎn)換體制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。天線的副反射面確定后，則副反射面的兩個焦點隨之確定，其中一個焦點與主反射面的焦點重合，另外一個焦點則與饋源的相位中心重合，通過相位中心的位置和副反的直徑則可確定饋源前端喇叭體的伸長量和喇叭張角。本實施例中目標探測裝置采用單脈沖探測體制，選用四喇叭饋源，步驟I-步驟3已經(jīng)選定了天線的主反射面和副反射面，副反射面的其中一個焦點要同主反射面的焦點重合，另外一個焦點同喇叭的相位中心重合，知道了焦點的位置也即知道了喇叭相位中心的位置，再通過副反射面的邊緣照射電平選取為-15dB，即可確定饋源喇叭體喇叭的伸長量和喇叭張角，如圖4所示。步驟5.根據(jù)目標探測裝置對饋源厚度和后端結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求確定卡塞格倫天線饋源后端拐彎波導體的設(shè)計。本實施例中目標探測裝置要求饋源的厚度為4. 8mm，饋源四個波導口的中心水平和豎直距離分別為IOmm和20mm，如圖4所示。步驟6.根據(jù)單脈沖體制和饋源設(shè)計和差網(wǎng)絡(luò)。本實施例中的和差網(wǎng)絡(luò)采用4個波導6縫隙耦合器組成，根據(jù)波導縫隙耦合器的原理可計算得到工作于92-94GHZ耦合器各個縫隙的長度，和差網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。
步驟7.將步驟I-步驟6設(shè)計好的四喇叭饋源、主反射面、副反射面、和差網(wǎng)絡(luò)、副反射面支撐桿用螺釘連接，組裝形成W波段單脈沖卡塞格倫天線。利用設(shè)計好的工裝安裝副反射面支撐桿，然后依次安裝饋源、副反射面、和差網(wǎng)絡(luò)，組裝形成單脈沖卡塞格倫天線，如圖2所示。步驟8.在微波毫米波暗室中分別測量安裝好的單脈沖卡塞格倫天線的和、方位差、俯仰差方向圖和增益等特性參數(shù)，確認各項指標滿足目標探測裝置的要求，完成W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計。經(jīng)過實驗驗證，本發(fā)明實施例中所設(shè)計的W波段單脈沖卡塞格倫天線適用于探測器前端，能對目標的距離、角度等信息進行較為精準的測量。
權(quán)利要求
1.W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I.根據(jù)目標探測裝置對增益的要求和探測裝置的口徑確定卡塞格倫天線主反射面的直徑； 步驟2.根據(jù)目標探測裝置對天線整體體積和系統(tǒng)噪聲的要求確定卡塞格倫天線主反射面的焦徑比； 步驟3.根據(jù)目標探測裝置對天線副瓣和3dB波束寬度的要求確定卡塞格倫天線副反射面的直徑和方程； 步驟4.根據(jù)單脈沖探測體制和卡塞格倫天線副反射面確定饋源前端喇叭體的伸長量和喇叭張角； 步驟5.根據(jù)目標探測裝置對饋源厚度和后端結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求確定卡塞格倫天線饋源后端拐彎波導體； 步驟6.根據(jù)單脈沖體制和饋源設(shè)計和差網(wǎng)絡(luò)和差網(wǎng)絡(luò)將來自卡塞格倫天線四個端口的信號形成和、方位差、俯仰差波束三路信號，并將它們饋入單脈沖接收機，實現(xiàn)距離以及角度跟蹤。
步驟7.將步驟I-步驟6設(shè)計好的四喇叭饋源、主反射面、副反射面、和差網(wǎng)絡(luò)、副反射面支撐桿用螺釘連接，組裝形成單脈沖卡塞格倫天線，其中主反射面與副反射面同心，利用主反射面背面的螺釘孔和定位孔設(shè)計工裝，利用工裝安裝副反射面支撐桿，支撐桿裝配完畢后依次安裝饋源和副反射面，最后將和差網(wǎng)絡(luò)與天線進行連接； 步驟8.在微波毫米波暗室中分別測量安裝好的單脈沖卡塞格倫天線的和、方位差、俯仰差方向圖和增益特性參數(shù)，確認各項指標滿足目標探測裝置的要求，完成W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計。
2.如權(quán)利要求I所述的W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，其特征在于，采用分體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)卡塞格倫天線的饋源，分為饋源前端喇叭和后端拐彎波導兩部分，這兩部分采用螺釘連接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和電氣的互連。
3.如權(quán)利要求I或2所述的W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，其特征在于，所述的和差網(wǎng)絡(luò)由4個W波段波導多縫隙耦合器組成。
4.如權(quán)利要求2所述的W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，其特征在于，前端喇叭體采用電火花與慢走絲工藝，后端拐彎波導采用電火花與高速數(shù)銑工藝。
全文摘要
本發(fā)明提出一種W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計方法，步驟1.根據(jù)目標探測裝置對增益的要求和探測裝置的口徑來確定卡塞格倫天線主反射面的直徑；步驟2.根據(jù)目標探測裝置對天線整體體積和系統(tǒng)噪聲的要求來確定卡塞格倫天線主反射面的焦徑比；步驟3.根據(jù)目標探測裝置對天線副瓣和3dB波束寬度的要求來確定卡塞格倫天線副反射面的直徑和方程；步驟4.根據(jù)單脈沖探測體制和卡塞格倫天線副反射面確定饋源前端喇叭體的伸長量和喇叭張角；步驟5.根據(jù)目標探測裝置對饋源厚度和后端結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求確定卡塞格倫天線饋源后端拐彎波導體；步驟6.根據(jù)單脈沖體制和饋源設(shè)計和差網(wǎng)絡(luò)步驟7.組裝形成單脈沖卡塞格倫天線；最后完成W波段單脈沖卡塞格倫天線的設(shè)計。
文檔編號H01Q13/02GK102832462SQ201210330178
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者孫厚軍, 鄭沛, 趙國強 申請人:北京理工大學