专利名称：一种w波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，属于目标探测技术领域。
背景技术：
W波段是毫米波频段的一个重要窗口，具有全天候和高分辨力的特点。其又具有本身的固有特点波长短、宽频带以及与大气的相互作用。由于其波长短，使得W波段的设备具有体积小、重量轻、机动性好的优点，这些优点正是精确制导武器和各种飞行器所必须具备的，同时在同样口径天线下，波长短可以实现窄波束、低副瓣，这样就能提供极高的精度和良好的分辨力，还能提高低仰角下的探测精度和跟踪能力；宽频带可以降低多径效应和杂波影响，使得系统的抗干扰能力较强，同时对低径向速度目标可以得到更大的多普勒频 移，从而提高对慢速目标的发现能力；与大气的相互作用使得W波段兼有微波与红外的部分传播优点。单脉冲天线是在二战后出现而在五、六十年代迅速发展起来的一种精密跟踪天线。单脉冲体制是在圆锥扫描和顺序波束转换体制基础上发展起来的。随着航空航天、导弹技术的发展，传统的波束圆锥扫描和波束转换技术由于对回波幅度起伏敏感、跟踪误差大，已不能满足人们对探测精度、探测距离和抗干扰能力等越来越高的要求。而单脉冲天线是在单个脉冲上同时提供对角误差敏感所需的波束，同时比较各波束的输出，从而消除了回波幅度随时间变化的任何影响。目前比较常用的单脉冲天线有平面微带阵列天线和卡塞格伦天线，由于W波段频率高，微带损耗大，工作于此频段的模块都是基于波导端口。因此，在W波段平面微带阵列天线难于与系统集成、馈电损耗大，对探测器的重量和探测器的探测距离都会造成比较大的影响。W波段单脉冲卡塞格伦天线由喇叭馈源、主反射面、副反射面、固定支架与和差网络组成。采用W波段标准波导进行馈电，馈电损耗小并且易于与系统进行集成；利用同时比较波瓣法，即单脉冲天线同时产生几个单极化波束，用几个独立的接收支路，同时接收这几个波束从目标反射的单个回波信号，然后将这些信号加以比较来获取目标的角误差信号。单脉冲定向法，可有效解决传统的圆锥扫描和顺序波束转换对回波幅度起伏敏感、跟踪误差大的缺点，并且天线工作于W波段，可获得更高的精度和分辨力。
发明内容
本发明为了克服传统圆锥扫描和顺序波束转换对回波幅度起伏敏感、跟踪误差大和W波段平面微带阵列天线馈电损耗大、难于与系统集成等缺点，提出了一种W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法。该W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，包括如下步骤步骤I.根据目标探测装置对增益的要求和探测装置的口径来确定卡塞格伦天线主反射面的直径；
步骤2.根据目标探测装置对天线整体体积和系统噪声的要求来确定卡塞格伦天线主反射面的焦径比；步骤3.根据目标探测装置对天线副瓣和3dB波束宽度的要求来确定卡塞格伦天线副反射面的直径和方程；步骤4.根据单脉冲探测体制和卡塞格伦天线副反射面确定馈源前端喇叭体的伸长量和喇口入张角；步骤5.根据目标探测装置对馈源厚度和后端结构设计的要求确定卡塞格伦天线馈源后端拐弯波导体；本发明采用分体结构实现卡塞格伦天线的馈源，分为馈源前端喇叭和后端拐弯波导两部分，这两部分采用螺钉连接实现结构和电气的互连。步骤6.根据单脉冲体制和馈源设计和差网络和差网络将来自卡塞格伦天线四 个端口的信号形成和、方位差、俯仰差波束三路信号，并将它们馈入单脉冲接收机，实现距离以及角度跟踪。本发明中和差网络由4个W波段波导多缝隙耦合器组成。步骤7.将步骤I-步骤6设计好的四喇叭馈源、主反射面、副反射面、和差网络、副反射面支撑杆用螺钉连接，组装形成单脉冲卡塞格伦天线，其中主反射面与副反射面同心，利用主反射面背面的螺钉孔和定位孔设计工装，利用工装安装副反射面支撑杆，支撑杆装配完毕后依次安装馈源和副反射面，最后将和差网络与天线进行连接；步骤8.在微波毫米波暗室中分别测量安装好的单脉冲卡塞格伦天线的和、方位差、俯仰差方向图和增益特性参数，确认各项指标满足目标探测装置的要求，完成W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计。本发明的有益效果(I)天线工作在W波段，频率高，波长短，可实现窄波束和低副瓣，能提供极高的精度和良好的分辨力。(2)采用单脉冲体制，可以消除传统圆锥扫描和顺序波束转换对回波幅度起伏敏感、跟踪误差大的缺点；探测时不需要机械摆动。(3)每个脉冲含有角度和距离信息，允许采用信号平均技术来改善系统性能；能更准确的得到目标特性参数。(4)馈源采用分体螺钉连接方式，分为前端喇叭体和后端拐弯波导体，当目标探测装置与天线连接的接口发生改变时，只需要重新设计拐弯波导体即可满足需求。(5)应用多工艺复合，针对不同的结构采用特定的工艺方法，保证加工精度。(6)和差网络由4个波导多缝隙耦合器构成，采用W波段标准波导进行馈电，亏电损耗小并且易于与探测器后端模块进行电气和结构连接。
图I.本发明一种W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计流程图。图2.本发明具体实施方式
中W波段带脉冲卡塞格伦天线与和差网络一体化主视图。图3.本发明具体实施方式
中W波段卡塞格伦天线的主视图。
图4.本发明具体实施方式
中W波段卡萨格伦天线馈源分体结构视图。图5.本发明具体实施方式
中W波段基于波导缝隙理论的和差网络结构视图。
具体实施例方式为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施方式
对本发明内容作进一步说明。本发明实施以135mm 口径的92_94GHz单脉冲卡塞格伦天线的设计过程为例对本发明内容做具体说明，其步骤为步骤I.根据目标探测装置对增益的要求和探测装置的口径确定卡塞格伦天线主反射面的直径。由于用途和作用距离的不同，目标探测装置对天线增益的要求存在区别，t匕如远程对地目标探测装置由于需要有较大的探测距离往往要求天线具有高增益，而对海面目标末段制导探测装置则不需要天线具有较高的增益。天线要求增益较高时通常需要天线 具有较大的口径，对于卡塞格伦天线，则要求天线的主反射面具有较大的直径。另外目标探测装置的口径大小也直接决定了卡塞格伦天线主反射面的直径。本实施例中的卡塞格伦天线需要具有37. 5dB的和增益，目标探测装置的口径为135mm,—般情况下卡塞格伦天线的口径效率在70%左右,通过计算口径135mm的卡塞格伦天线可以满足目标探测装置对增益的要求，即确定天线主反射面的直径为135_。步骤2.根据目标探测装置对天线整体体积和系统噪声的要求确定卡塞格伦天线主反射面的焦径比。设计卡塞格伦天线，首先就要确定主反射面的焦径比，焦径比取的小，则抛物面深度小，最小遮挡比小，馈源前伸量小，系统整体噪声低；焦径比取的大可提高馈源偏焦工作的性能，但会增大天线整体体积。本天线采用单脉冲探测体制，应用四喇叭馈源，每个喇叭都是偏焦工作，通过目标探测装置对天线体积和噪声的要求，合理选取主反射面的焦径比，使天线工作在最佳状态。本实施例中目标探测装置要求天线整体所占体积和系统噪声尽可能小，则主反射面的深度要尽可能小，所以选取焦径比应尽可能的小，这里我们选取焦径比为O. 3，则主反射面的焦距为40. 5mm,结合步骤I中确定的主反射面的直径为135mm,可确定卡塞格伦天线的主反射面,如图3所示。步骤3.根据目标探测装置对天线副瓣和3dB波束宽度的要求确定卡塞格伦天线的副反射面。目标探测装置工作时只使用天线的主瓣波束，那么就要尽可能的使天线辐射出去的能量被主瓣覆盖，降低天线的旁瓣，副反射面直径和方程对天线副瓣和波束宽度都有较大影响，根据目标探测装置的应用需求，合理的选取副反射面参数。本实施例中目标探测装置要求天线副瓣小于_15dB，E面波束宽度和H面波束宽度都为I. 5度。按照卡式天线放大率M=10，副反射面的直径不大于主面直径的20%来设计可满足上述要求，通过公式计算可得副反射面的方程和直径，即确定天线的副反射面，如图3所示。步骤4.根据单脉冲探测体制和卡塞格伦天线副反射面确定馈源前端喇叭体的伸长量和喇叭张角。单脉冲体制是在圆锥扫描和顺序波束转换体制基础上发展起来的。天线的副反射面确定后，则副反射面的两个焦点随之确定，其中一个焦点与主反射面的焦点重合，另外一个焦点则与馈源的相位中心重合，通过相位中心的位置和副反的直径则可确定馈源前端喇叭体的伸长量和喇叭张角。本实施例中目标探测装置采用单脉冲探测体制，选用四喇叭馈源，步骤I-步骤3已经选定了天线的主反射面和副反射面，副反射面的其中一个焦点要同主反射面的焦点重合，另外一个焦点同喇叭的相位中心重合，知道了焦点的位置也即知道了喇叭相位中心的位置，再通过副反射面的边缘照射电平选取为-15dB，即可确定馈源喇叭体喇叭的伸长量和喇叭张角，如图4所示。步骤5.根据目标探测装置对馈源厚度和后端结构设计的要求确定卡塞格伦天线馈源后端拐弯波导体的设计。本实施例中目标探测装置要求馈源的厚度为4. 8mm，馈源四个波导口的中心水平和竖直距离分别为IOmm和20mm，如图4所示。步骤6.根据单脉冲体制和馈源设计和差网络。本实施例中的和差网络采用4个波导6缝隙耦合器组成，根据波导缝隙耦合器的原理可计算得到工作于92-94GHZ耦合器各个缝隙的长度，和差网络如图5所示。
步骤7.将步骤I-步骤6设计好的四喇叭馈源、主反射面、副反射面、和差网络、副反射面支撑杆用螺钉连接，组装形成W波段单脉冲卡塞格伦天线。利用设计好的工装安装副反射面支撑杆，然后依次安装馈源、副反射面、和差网络，组装形成单脉冲卡塞格伦天线，如图2所示。步骤8.在微波毫米波暗室中分别测量安装好的单脉冲卡塞格伦天线的和、方位差、俯仰差方向图和增益等特性参数，确认各项指标满足目标探测装置的要求，完成W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计。经过实验验证，本发明实施例中所设计的W波段单脉冲卡塞格伦天线适用于探测器前端，能对目标的距离、角度等信息进行较为精准的测量。
权利要求
1.W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I.根据目标探测装置对增益的要求和探测装置的口径确定卡塞格伦天线主反射面的直径； 步骤2.根据目标探测装置对天线整体体积和系统噪声的要求确定卡塞格伦天线主反射面的焦径比； 步骤3.根据目标探测装置对天线副瓣和3dB波束宽度的要求确定卡塞格伦天线副反射面的直径和方程； 步骤4.根据单脉冲探测体制和卡塞格伦天线副反射面确定馈源前端喇叭体的伸长量和喇叭张角； 步骤5.根据目标探测装置对馈源厚度和后端结构设计的要求确定卡塞格伦天线馈源后端拐弯波导体； 步骤6.根据单脉冲体制和馈源设计和差网络和差网络将来自卡塞格伦天线四个端口的信号形成和、方位差、俯仰差波束三路信号，并将它们馈入单脉冲接收机，实现距离以及角度跟踪。
步骤7.将步骤I-步骤6设计好的四喇叭馈源、主反射面、副反射面、和差网络、副反射面支撑杆用螺钉连接，组装形成单脉冲卡塞格伦天线，其中主反射面与副反射面同心，利用主反射面背面的螺钉孔和定位孔设计工装，利用工装安装副反射面支撑杆，支撑杆装配完毕后依次安装馈源和副反射面，最后将和差网络与天线进行连接； 步骤8.在微波毫米波暗室中分别测量安装好的单脉冲卡塞格伦天线的和、方位差、俯仰差方向图和增益特性参数，确认各项指标满足目标探测装置的要求，完成W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计。
2.如权利要求I所述的W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，采用分体结构实现卡塞格伦天线的馈源，分为馈源前端喇叭和后端拐弯波导两部分，这两部分采用螺钉连接实现结构和电气的互连。
3.如权利要求I或2所述的W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，所述的和差网络由4个W波段波导多缝隙耦合器组成。
4.如权利要求2所述的W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，前端喇叭体采用电火花与慢走丝工艺，后端拐弯波导采用电火花与高速数铣工艺。
全文摘要
本发明提出一种W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法，步骤1.根据目标探测装置对增益的要求和探测装置的口径来确定卡塞格伦天线主反射面的直径；步骤2.根据目标探测装置对天线整体体积和系统噪声的要求来确定卡塞格伦天线主反射面的焦径比；步骤3.根据目标探测装置对天线副瓣和3dB波束宽度的要求来确定卡塞格伦天线副反射面的直径和方程；步骤4.根据单脉冲探测体制和卡塞格伦天线副反射面确定馈源前端喇叭体的伸长量和喇叭张角；步骤5.根据目标探测装置对馈源厚度和后端结构设计的要求确定卡塞格伦天线馈源后端拐弯波导体；步骤6.根据单脉冲体制和馈源设计和差网络步骤7.组装形成单脉冲卡塞格伦天线；最后完成W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计。
文档编号H01Q13/02GK102832462SQ201210330178
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者孙厚军, 郑沛, 赵国强 申请人:北京理工大学