雷達導(dǎo)引頭天線技術(shù)發(fā)展趨勢探討

孫 陽，翟龍軍

（海軍航空工程學(xué)院 新裝備培訓(xùn)中心，山東 煙臺 264001）

天線是雷達導(dǎo)引頭的主要能量轉(zhuǎn)換器件，它將發(fā)射機產(chǎn)生的導(dǎo)波場轉(zhuǎn)換成空間輻射場，并將目標(biāo)反射的空間回波能量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)波場，通過傳輸線饋送給接收機。天線設(shè)計在雷達導(dǎo)引頭設(shè)計中具有舉足輕重的地位，因此天線技術(shù)是雷達導(dǎo)引頭技術(shù)的重要組成部分。

雷達導(dǎo)引頭天線的發(fā)展經(jīng)歷了線天線 （相位干涉儀天線）、面天線和陣列天線3個主要階段，目前反射面天線在雷達導(dǎo)引頭天線中占主導(dǎo)地位。本文在回顧了反射面天線技術(shù)的發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，著重探討了陣列天線技術(shù)，包括波導(dǎo)裂縫陣天線技術(shù)、有源相控陣天線技術(shù)以及共型天線陣技術(shù)在雷達導(dǎo)引頭中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢。

1 反射面天線技術(shù)

面口徑天線較早的出現(xiàn)是在19世紀末。1888年Hertz設(shè)計了一部拋物柱面天線。直到20世紀30年代，隨著高頻源的出現(xiàn)，面口徑天線才得到了發(fā)展，出現(xiàn)了類比于光學(xué)方法的拋物反射面天線和透鏡天線。同時，面口徑天線的理論研究也取得了很大的進展，幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法和口徑場理論都相繼建立。20世紀50年代，反射面天線技術(shù)進一步得到發(fā)展，出現(xiàn)了很多大型拋物面天線，如美國研制成功的第一部精密測試雷達天線。這一時期，各種單脈沖天線相繼出現(xiàn)。20世紀50年代以后，計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、精密加工技術(shù)的進步，為雷達導(dǎo)引頭天線理論和技術(shù)發(fā)展提供了有利條件，出現(xiàn)了卡塞格倫、格力高利雙反射面天線、正負反射面修正技術(shù)、偏饋技術(shù)、以及波紋喇叭等高效饋源，反射面天線的性能得到了進一步提高。

反射面天線的主要缺點是機械掃描時慣性大、數(shù)據(jù)率有限、信息通道數(shù)少，不易滿足雷達導(dǎo)引頭更高性能的要求。尤其是由于雷達導(dǎo)引頭天線抗干擾的需要，要求天線應(yīng)該具有較低的副瓣電平，而要利用反射面天線技術(shù)實現(xiàn)較低的副瓣電平較為困難[1-2]。

但是，由于反射面天線具有饋電簡單、設(shè)計容易、成本較低，尤其是能形成高增益和較好方向性的波束。因此，在今后的雷達導(dǎo)引頭天線技術(shù)中，反射面天線技術(shù)仍占有不可取代的一席之地。

2 波導(dǎo)裂縫陣天線技術(shù)

波導(dǎo)裂縫天線的研究始于20世紀40年代末期。早期的研究，由于受到計算工具的限制，多集中在波導(dǎo)裂縫單元特性分析方面，隨著仿真和測試手段的改進及雷達技術(shù)發(fā)展，在20世紀70～90年代期間，平板裂縫天線的理論研究和工程設(shè)計技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在平板裂縫天線無論是在設(shè)計方法還是生產(chǎn)工藝都已經(jīng)進入相當(dāng)成熟的階段[3]。我國從20世紀70年代開始進行波導(dǎo)裂縫天線的研究，在理論分析、設(shè)計方法、實驗研究和加工工藝等各個方面都作了大量卓有成效的工作。20世紀90年代中期，我國研制成功了一部S波段，雙副瓣、雙子頻段工作的波導(dǎo)裂縫頻掃陣列天線，用于三坐標(biāo)雷達。

波導(dǎo)裂縫天線作為陣列天線的一種，其主要工作原理是在波導(dǎo)寬壁或窄壁上開有裂縫，切斷波導(dǎo)壁上的工作電流，從而形成向外輻射的電磁場。波導(dǎo)裂縫的輻射強度和相位可以由裂縫偏置（或傾角）的大小和方向來控制。在一根波導(dǎo)上規(guī)則排列的多個裂縫構(gòu)成線陣天線，在平面上將波導(dǎo)裂縫線陣按照一定的間距排列形成面陣。通過對每根波導(dǎo)的激勵和裂縫傾角的控制，就可以得到一個可控的二維口徑分布，產(chǎn)生期望的波束。

典型的平板裂縫天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型平面裂縫天線結(jié)構(gòu)Fig.1 A typical planar antenna structure cracks

波導(dǎo)裂縫天線具有高增益、可以實現(xiàn)較低的副瓣電平，設(shè)計和加工相對容易，可以實現(xiàn)較小的體積，成本相對較低，因而在機載、彈載雷達中得到了廣泛的應(yīng)用。目前國際上機載火控雷達所采用的天線形式主要是平板裂縫天線。在雷達導(dǎo)引頭方面，國外已經(jīng)有多種型號的導(dǎo)引頭采用了平板裂縫天線?？梢灶A(yù)測，平板裂縫天線將會是今后雷達導(dǎo)引頭天線的一種主要形式。

3 有源相控陣天線技術(shù)

相控陣雷達天線波束可以由計算機控制，在探測空間進行無慣性、靈活掃描。這一特點給相控陣雷達帶來了許多特有的功能，如高數(shù)據(jù)率、邊掃描邊跟蹤能力、利用時間分割技術(shù)實時跟蹤多個目標(biāo)等。由于設(shè)備龐大、造價高等因素，早期的相控陣雷達主要應(yīng)用于空間探測和遠程預(yù)警系統(tǒng)。近二十年來，半導(dǎo)體器件、各類功率晶體管、集成電路、計算機等技術(shù)的突飛猛進，極大地推動了相控陣技術(shù)的發(fā)展，也降低了相控陣成本。目前，一些民用雷達，如空中交通管制系統(tǒng)中的微波著陸雷達、氣象雷達等已開始采用相控陣技術(shù)。軍事上，相控陣技術(shù)也已逐漸應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)雷達，如搜索、引導(dǎo)、火控及制導(dǎo)雷達等。近年來，雷達導(dǎo)引頭天線也在向相控陣方向發(fā)展，但若要將相控陣天線應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭中，則必須進一步降低成本、減小體積、提高效率。

傳統(tǒng)無源相控陣天線采用功率分配網(wǎng)絡(luò)將單個信號源產(chǎn)生的信號分配到各個陣列單元，然后利用移相器控制單元間的相位差實現(xiàn)激勵信號在天線陣面的特定相位分布。無源相控陣的設(shè)計是以移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配網(wǎng)絡(luò)為核心，通過控制天線陣列的幾何形狀及天線口徑激勵信號的幅相分布來控制波束的形狀及波束指向。無源相控陣天線具有設(shè)備龐大、功率分配網(wǎng)絡(luò)及移相網(wǎng)絡(luò)的功率損耗大、響應(yīng)速度慢等特點，因此，在雷達導(dǎo)引頭中應(yīng)用無源相控陣天線尚有一定難度。

為了解決以上問題人們傾向于采用基于T/R組件的有源相控陣天線。有源相控陣天線的每個陣列單元接有一個發(fā)射機/接收機前端（即T/R組件），其天線陣面包含了大量的有源部件。有源天線陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有源相控陣天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Active phased array antenna structure

有源相控陣天線的重要組成部分之一是安置在每一天線單元上的T/R組件。一個典型的T/R組件由移相器、收發(fā)開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、衰減器、波控器等部分組成。實際上，一個T/R組件就是一部小型的雷達發(fā)射/接收機。基于T/R組件的有源相控陣天線將有源部件集成到天線陣面，減少了饋線引起的功率和信號損失。盡管如此，有源相控陣控制天線波束掃描的方法沒有改變，仍然采用移相器控制天線陣面的相位分布。為了減小體積，T/R組件中通常采用數(shù)字式相移器，這更增加了插入損耗。由于空間的限制，將移相器網(wǎng)絡(luò)、功率分配網(wǎng)絡(luò)及其控制網(wǎng)絡(luò)集成到小型陣列平面上有很大難度，這也使有源相控陣天線的散熱問題更加嚴峻。此外有源相控陣天線比無源相控陣天線更加昂貴，據(jù)計算有源相控陣天線占整個相控陣雷達成本的60%左右。盡管如此，國外對有源相控陣天線應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭做了許多有益的嘗試，并且取得了許多成果。2003年5月，英國德奎奈蒂克公司在世界上首次對相控陣雷達導(dǎo)引頭傳感器進行了 “閉環(huán)”試驗；德國已經(jīng)將相控陣雷達應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭，雷達導(dǎo)引頭配置有源相控陣天線示意圖如圖3所示。

圖3 雷達導(dǎo)引頭配置有源相控陣天線示意圖Fig.3 Radar seeker active phased array antenna configuration diagram

無源及有源相控陣天線的共同癥結(jié)是移相器的存在，而非線性有源天線陣能有效地克服傳統(tǒng)相控陣天線的上述缺點。主要由于非線性有源天線陣不是依靠移相器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)波束掃描與波束形成，而是根據(jù)非線性動力學(xué)原理，應(yīng)用耦合振蕩器陣列的注頻鎖相技術(shù) （injection-locking technology）或互注頻鎖相技術(shù)（multi-injection-locking technology）同步天線陣中各振蕩器單元，產(chǎn)生相干射頻信號進而形成相對相移，實現(xiàn)天線陣波束掃描和波束形成。這種非線性有源天線陣不用移相器，只需控制陣列中振蕩器單元的自由振蕩頻率就能對陣面的幅相分布進行控制。這種天線陣的最大優(yōu)點是：低功耗、控制簡單、體積小、重量輕、成本低、容易實現(xiàn)數(shù)字化，易于在雷達導(dǎo)引頭中采用[3-10]。

非線性有源天線陣的研究始于對耦合振蕩器的研究。17世紀人們發(fā)現(xiàn)了對兩個互相耦合的鐘擺的同步現(xiàn)象，之后人們對生物、化學(xué)、電子等領(lǐng)域周期運動的振子之間的耦合現(xiàn)象進行了研究。1946年，Adler發(fā)表了第一篇論述微波振蕩器的注頻鎖相現(xiàn)象的論文，提出了Adler方程，表明如果微波振蕩器在注入信號存在的情況下，振蕩器可以與注入信號達到同步并且形成固定的相位差。1993年York及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組又發(fā)展了前人取得的成果，通過調(diào)節(jié)陣列兩端單元自由振蕩頻率的方法來建立陣面線性相位分布，這樣相鄰單元間最大相位差可以達到180°。至此，非線性有源天線陣的基本理論得到確立。

近幾年來，國外許多學(xué)者致力于該項研究，涌現(xiàn)了大量研究成果，但大多數(shù)均停留在實驗室階段。美國空間及海戰(zhàn)系統(tǒng)中心航海應(yīng)用科學(xué)部的混沌及動力學(xué)應(yīng)用研究小組研制了應(yīng)用于GPS的耦合振蕩器有源天線陣來對抗寬帶阻塞式干擾。該天線的研制融合了非線性動力學(xué)、有源天線、模擬微電子技術(shù)等領(lǐng)域的新進展，通過耦合振蕩器陣列來進行波束掃描及波束形成。另外，由于天線單元布局緊湊，單元間的互耦提高了整個天線陣的性能，可以得到具有更好的方向性以及能產(chǎn)生更多更深零點的新一代天線，并且該天線的輸出信噪比較高，波束掃描及波束形成靈活簡單。他們已經(jīng)研制出了工作于10 GHz的基于微帶天線技術(shù)的4×1單元的有源天線陣實驗系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 基于耦合振蕩器陣列的有源天線陣Fig.4 Coupled oscillator arrays based on the active antenna array

加利福尼亞大學(xué)電子技術(shù)及計算機工程部的York實驗室致力于微波、毫米波新型電路和新器件及其應(yīng)用研究，他們將耦合振蕩器陣列應(yīng)用于準(zhǔn)光學(xué)功率合成、高效率放大器以及耦合振蕩器有源天線陣中。圖5是利用耦合振蕩器陣列驅(qū)動矩形微帶貼片天線陣實現(xiàn)的6×1單元的耦合振蕩器有源天線陣，其工作頻率為4 GHz，可以通過調(diào)整兩端單元的自由振蕩頻率實現(xiàn)波束在[-40°，40°]范圍的掃描。其主波束指向-5°及40°時天線的方向圖如圖6和圖7所示。

圖5 6×1單元的耦合振蕩器有源天線陣Fig.5 6×1 unit coupled oscillator active antenna array

圖6 主波束位于-5°時理論及實測方向圖Fig.6 The direction of graph theory and the measured when the main beam at-5°

圖7 主波束位于40°時理論及實測方向圖Fig.7 The direction of graph theory and the measured when the main beam at 40°

美國 Georgia理工學(xué)院（GTRI）致力于用于 GPS的非線性有源相控陣天線的研究。他們對于二維非線性有源天線陣的相位控制和波束形成理論進行了發(fā)展，并制作了二維的25元非線性有源天線陣實驗系統(tǒng)，如圖8和圖9所示。

加利福尼亞大學(xué)JPL實驗室的Pogorzelski等人致力于非線性有源天線陣連續(xù)模型及接收波束形成的研究。如圖10和圖11是他們制作的9元陣和25元陣及相位測試系統(tǒng)。

圖8 GTRI研制的用于非線性有源天線的二維耦合振蕩器陣列Fig.8 GTRI developed for two-dimensional coupled nonlinear oscillator active antenna array

圖9 GTRI研制的25元陣仿真方向圖Fig.9 GTRI developed 25 yuan array simulation pattern

圖10 JPL實驗室研制的9元和25元耦合振蕩器陣列Fig.10 JPL developed the laboratory for 9 yuan and 25 yuan coupled oscillator array

圖11 9元陣和25元陣的方向圖Fig.11 9 yuan and 25 yuan array array pattern

非線性有源天線陣技術(shù)由于不采用移相器實現(xiàn)天線陣元的相位分布控制，因而是有源相控陣雷達小型化、降低成本的一條有效的技術(shù)途徑。對于雷達導(dǎo)引頭而言，由于相控陣天線的諸多優(yōu)點，采用相控陣天線是雷達導(dǎo)引頭天線技術(shù)的重要發(fā)展方向，而非線性有源天線陣技術(shù)為相控陣天線應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭提供了一種可行的技術(shù)方案。另外，由于器件水平的原因，耦合振蕩器的輸出功率較小，需要在將來的研究中進一步解決。

4 共形天線陣技術(shù)

由于雷達導(dǎo)引頭的特殊工作環(huán)境，雷達導(dǎo)引頭的天線罩必須根據(jù)導(dǎo)彈的空氣動力學(xué)特性和電磁傳播特性進行折衷設(shè)計，而這樣做的結(jié)果是使得導(dǎo)彈的氣動性能和電磁性能都不能達到最優(yōu)。陣列天線的發(fā)展以平面陣列為主，但近幾年的發(fā)展表明共形天線陣是解決上述問題的一條有效途徑[11]。共形天線陣技術(shù)是指天線陣元的位置按照作戰(zhàn)平臺的外形配置，并按照陣列天線技術(shù)實現(xiàn)波束形成和控制的技術(shù)。雷達導(dǎo)引頭共形天線陣元的幾種可能配置方案如圖12所示。

圖12 雷達導(dǎo)引頭共形天線陣元的配置方案Fig.12 Radar seeker conformal antenna array element configuration

要在雷達導(dǎo)引頭中采用共形天線陣，一方面要解決在天線輻射單元分布在復(fù)雜曲面上的相位控制和波束合成問題，另一方面要解決天線輻射單元的材料問題。在平面上進行波束合成的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但當(dāng)天線單元分布在復(fù)雜曲面上時，問題將會變得異常復(fù)雜，要解析的得到天線單元的相位分配方案非常困難，因此必須借助于其它的復(fù)雜分析技術(shù)實現(xiàn)。采用共形天線陣時，微帶天線是一個選擇，但對材料必須有特殊的要求。除了要滿足天線帶寬等電磁特性的要求外，還必須滿足導(dǎo)彈飛行時的耐高過載和高溫的要求。

5 結(jié)束語

從近幾年來美國主導(dǎo)的幾場局部戰(zhàn)爭可以看出，雷達已成為信息爭奪的主要技術(shù)手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭攻、防中的地位越來越重要。雷達導(dǎo)引頭作為精確制導(dǎo)武器的主要目標(biāo)信息探測裝置，在針對雷達導(dǎo)引頭的電子干擾與欺騙技術(shù)、反輻射武器快速發(fā)展的戰(zhàn)場環(huán)境中，受到了嚴重的威脅，尤其是傳統(tǒng)雷達雷達導(dǎo)引頭，在電子干擾環(huán)境中其性能將受到嚴重削弱。雷達天線技術(shù)作為雷達導(dǎo)引頭技術(shù)[12]的重要組成部分，從目前技術(shù)發(fā)展來看，反射面天線和波導(dǎo)裂縫天線在今后一段時間仍占有重要的地位；從長遠來看，有源相控陣雷達由于具有靈活的波束與功率控制、快捷的頻率與工作模式變化，使其具有探測能力強、截獲概率低、抗干擾性能好等優(yōu)點，必將得到快速發(fā)展和應(yīng)用。非線性有源天線陣技術(shù)的出現(xiàn)使得雷達導(dǎo)引頭應(yīng)用有源天線陣的諸多問題得到一定程度的解決，將會極大地推動導(dǎo)引頭相控陣天線技術(shù)的發(fā)展。

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