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特殊形状的平面开槽天线设计




关键词:

摘 要:受导引头弹径体积的限制,采用椭圆形式的波导裂缝阵列天线作为合成孔径雷达(SAR)天线,用等效变换的方法将椭圆形平面阵列转换为圆形平面阵列,使天线的方向图在两个主平面上都具有较高分辨率,运用多区馈电和参差调谐的方法展宽频带,设计出的天线在方位向具有高的分辨率,达到了合成孔径天线分辨率高、副瓣低、频带宽的工作要求,可作为合成孔径雷达天线使用。
关键词:合成孔径天线;椭圆口径;多区馈电;参差调谐


0 引 言
    合成孔径雷达是一种二维成像设备,为了获得比较高的分辨率,在距离上采用宽频带信号脉冲压缩技术,在方位上依靠增大合成孔径的长度来实现较长的相干积累时间。合成孔径雷达的方位分辨率ρa由其天线的半功率波束宽度β和作用距离R决定,即:

   
式中:λ是发射信号波长;D是天线孔径尺寸。
    因此,对于正斜视导弹来说,在斜距一定的情况下,天线波束宽度越窄,其方位分辨率就越高。由于需要在地面杂波背景中检测出运动目标,而地面杂波电平很大程度取决于天线的副瓣电平,除了采取其他措施外,必须要求雷达天线有较低的副瓣电平。在整个成像条带内,为了不产生图像模糊,天线要求具有较低的副瓣(<-25 dB)。
    波导裂缝天线阵由于具有体积小,增益高,副瓣低,口径利用率高,口径场分布易于实现等优点,从而被广泛应用于雷达导引头系统。波导裂缝天线的设计方法已经相对成熟,但波导裂缝天线作为毫米波合成孔径雷达天线在国内还并不常见,现着重从两个方面讨论波导裂缝阵天线的设计特点,最后给出仿真结果。该结果完全满足设计要求,可作为合成孔径雷达天线使用。


1 椭圆形阵列
    为了满足天线方向图在两个主平面上都具有高分辨率的要求,受弹径体积的限制,拟采用椭圆形状的天线,但由于椭圆天线阵面对于常用的天线口径综合方法(泰勒分布)不属于规则分布,目前还没有一种较好的设计方法,为了寻求这种平面椭圆阵列的优化设计,将运用等效变换提出一种新的设计思路。
1.1 坐标变换
    图1表示采用极坐标下的圆形平面口径,口径上任意一点到中心的距离r′=ρ,ρ与x轴夹角为φ′。

    在口径上,极坐标与直角坐标的关系为:

   
则相位为:

   
    设椭圆的长半轴和短半轴分别为a,b,由于泰勒分布仅适用于圆口径面分布,如果用于椭圆口径分布,方向图将会恶化很多,为此需要将椭圆口径变换成等效圆口径,如图2所示。

    椭圆
    式(5)相对于圆口径引入了一个附加相位引子,实际情况下,圆形口径场有Exs和Eys两个分量,却只有一个电场分量对辐射场起主要作用,此分量为主极化分量,另一个分量对辐射场只起次要作用,此分量为交叉极化分量;以下远场方向图计算只考虑主极化分量。
    如果口面上激励源为线极化,令其激励幅度为I(x,y),则圆口面天线形成的远区场为:

   


    由式(7)可知,当口面连续分布时,在φ=0的剖面圆口面分布和椭圆口面分布具有相同的远场方向图。
    对于H平面(φ=π/2),分别化简式(5)与式(6),则有:

   
    比较式(8)和式(9),圆形口面和椭圆口面相位因子呈线性关系,可知将椭圆口面等效为圆口面的方法是可行的。
1.2 离散阵的设计
    在实际工程应用中,都需要对连续分布进行抽样形成离散口面分布,对圆口面泰勒分布通常采用矩形栅格进行离散。
    设圆形口面上第mn单元距离原点(阵列中心)的距离是:

   
式中:a为圆形阵面半径;dx,dy分别为天线单元间距;分别为mn单元距原点的横向和纵向距离;rmn为天线mn单元到原点的距离;Imn为离散后m;n单元的电场幅值。
    对于椭圆口径,等效为圆口径之后,口面上第mn单元距离原点(阵列中心)的距离为:


分别为椭圆第mn单元距原点的横向和纵向距离。

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