一種雙波束同步掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)

蔣凡杰，倪文俊

(中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802)

0 引言

介紹了一種雙波束同步掃描相控陣天線的工作原理、設(shè)計(jì)方法及其實(shí)際測試結(jié)果，該天線具有兩個(gè)同時(shí)波束，分別稱為A波束和B波束，兩波束之間的夾角為 ΔθAB，兩波束可以在方位 ±50°范圍內(nèi)作同步電掃描，相同掃角下不同頻率的A、B波束之間的夾角保持不變，從而可以用幅度比較的方法對(duì)±50°范圍內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測向接收或跟蹤。該天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1 天線陣設(shè)計(jì)

根據(jù)天線工作頻率和極化方式，選用對(duì)數(shù)周期偶極子作為天線陣的單元。根據(jù)所要求的天線增益、波束寬度和掃描范圍，采用32×8共256個(gè)單元的面陣結(jié)構(gòu)，水平方向單元間距dx=60 cm;垂直方向相鄰兩列單元上下錯(cuò)開半個(gè)單元間距，形成三角形排列方式，垂直方向單元間距dy=150 cm，天線陣面總尺寸約為19.2 m×12 m。

由于天線陣面很大，為便于安裝，在結(jié)構(gòu)上將整個(gè)陣面分為16個(gè)框架，每個(gè)框架內(nèi)包含16個(gè)天線單元及射頻和供電接口，陣面中央裝有一個(gè)多波束機(jī)箱，用于形成所需的雙波束，并具有波束掃描控制功能。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)相控陣?yán)碚摚?］，N單元均勻直線陣如圖1所示，單元間距dx，波束指向θs與陣內(nèi)由移相器提供的各相鄰單元的相位差ΔΦ有如下關(guān)系

式中，θs為波束指向;dx為單元間距;ΔΦ 為相鄰單元之間的相位差，通常由移相器實(shí)現(xiàn)。

圖1 N單元均勻直線陣

相控陣天線除采用移相器產(chǎn)生相位差外，還可以采用延遲線(傳輸線)來實(shí)現(xiàn)相位差，這時(shí)相鄰單元的路徑差ΔL與天線陣波束指向Δθs的關(guān)系為

如果同時(shí)采用移相器和延遲線產(chǎn)生相位差，即在相鄰天線單元相位差ΔΦ的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)路徑差ΔLA，則天線陣的波束指向?qū)⒃讦萻的基礎(chǔ)上再產(chǎn)生ΔθsA的偏移。此時(shí)，波束指向θB與ΔΦ和ΔLA的關(guān)系為

根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的雙波束饋電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

將天線陣中每一列經(jīng)過列饋合成，作為行饋的天線單元，每一單元先接接收前端和移相器，然后接1∶2功分器，功分器輸出分別經(jīng)過長度為LA1、LA2、LA3、…、LA32和 LB1、LB2、LB3、…、LB32兩組電纜后由兩個(gè)1∶32功分器形成A、B兩個(gè)波束。移相器用于控制波束掃描，使天線陣主波束指向θs方向，兩組電纜的長度分別滿足

圖2 雙波束饋電網(wǎng)絡(luò)

兩組電纜中相鄰兩根的長度差相同，電纜長度分別為依次遞增和依次遞減，使A、B波束的指向在θs方向基礎(chǔ)上分別產(chǎn)生對(duì)稱的偏移ΔθsA，A、B波束之間的夾角為

設(shè)計(jì)中，移相器采用5 bits數(shù)字移相器，提供波束掃描所需的相位;A、B波束的夾角由電纜長度差實(shí)現(xiàn)，由式(3)計(jì)算兩波束夾角為5°時(shí)的電纜長度差為

式中，εr=2.1為所用電纜介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

3 低副瓣設(shè)計(jì)［2］

作為偵察接收天線，通常要求低副瓣設(shè)計(jì)。對(duì)于陣列天線，低副瓣設(shè)計(jì)的常用方法有契比雪夫綜合法、泰勒綜合法等多種。采用泰勒綜合法進(jìn)行低副瓣設(shè)計(jì)。泰勒方向圖的歸一化表達(dá)式為

式中，z=uL/λ，L 為天線口徑。

產(chǎn)生泰勒方向圖所需的口徑分布可以展開成一個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)

式中，－L/2≤x≤L/2。

天線陣方位面副瓣電平的指標(biāo)要求為－20 dB，考慮到幅相誤差和互耦影響，對(duì)于32單元直線陣，按照副瓣電平－25 dB設(shè)計(jì)，等副瓣數(shù)選5，計(jì)算得到中心對(duì)稱的32個(gè)饋電電流加權(quán)系數(shù)為［0.250，0.259，0.286，0.330，0.387，0.456，0.531，0.608，0.684，0.755，0.819，0.875，0.923，0.960，0.987，1.000，1.000，0.987，…，0.250］

4 余割方向圖賦形設(shè)計(jì)

天線俯仰方向圖余割賦形設(shè)計(jì)有利于探測目標(biāo)，對(duì)于陣列天線常用的賦形設(shè)計(jì)方法有傅里葉變換法、伍德沃德綜合法、交錯(cuò)投影及功率方向圖綜合法等。選擇傅里葉變換法進(jìn)行余割方向圖綜合設(shè)計(jì)。

由于設(shè)計(jì)的天線陣為三角形柵格排列，設(shè)計(jì)時(shí)可將列饋方向上看作是16單元等間距排列的直線陣，即單元數(shù)N0=16，單元間距為dy=75 mm=0.5125λ(中心頻率)。設(shè)計(jì)中，選擇的俯仰方向圖樣本函數(shù)為［3，4］

該方向圖在仰角0°～5°之間為等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在5°～40°之間為余割賦形設(shè)計(jì)，其余仰角上方向圖同E0(θ)，E0(θ)為主副瓣比為 r=30 dB=5的泰勒方向圖。

利用傅里葉變化法計(jì)算滿足該方向圖的各單元的復(fù)加權(quán)系數(shù)為

各單元幅度加權(quán)系數(shù)為

各單元的相位為

以度數(shù)表示為

利用上述設(shè)計(jì)公式計(jì)算所得的16單元自下而上的饋電電流幅度和相位分別為

幅度:［0.136，0.183，0.210，0.326，0.390，0.451，0.685，1.000，1.000，0.685，0.451，0.390，0.326，0.210，0.183，0.136］

相位:［33.88，26.54，37.42，39.00，31.62，35.84，35.43，12.90，－12.90，－35.43，－35.84，－31.62，－39.00，－37.42，－26.54，－33.88］

幅度中心對(duì)稱;相位絕對(duì)值中心對(duì)稱，符號(hào)相反。

5 設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)測結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)出的天線陣方位面仿真計(jì)算方向圖如圖3(a)～(f)所示。俯仰面仿真計(jì)算方向圖如圖4(a)～(b)所示。

方位面方向圖的測試在外場完成，測試距離約為250 m。190 MHz時(shí)的A、B波束方向圖實(shí)測結(jié)果如圖5所示，波束掃描角分別為 0°、±10°、±20°和±30°，共7組波束，實(shí)測的7組雙波束記錄于同一坐標(biāo)下。

從測試結(jié)果可以看出，掃描過程中，A、B兩波束的幅度差在1 dB以內(nèi)，波束指向與設(shè)計(jì)值吻合很好，而最高副瓣電平為－20 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。但實(shí)測方向圖的副瓣與仿真計(jì)算結(jié)果有一定差別，除了各天線單元的幅度相位分布與設(shè)計(jì)值有偏差外，還受到測試環(huán)境的影響，特別是天線陣周圍地物環(huán)境的影響，在此不作贅述。

圖5 Freq=190 MHz實(shí)測方向圖

俯仰面的測試由于天線陣面巨大，無法在外場進(jìn)行遠(yuǎn)場測試。為此，按照設(shè)計(jì)的幅相分布，專門制作了一套1 ∶10縮比模型陣列，頻率范圍為1.5～2.6 GHz，在微波暗室測試出的俯仰方向圖如圖6(a)～(b)所示。

從圖中可以看出，俯仰面上，縮比模型的實(shí)測方向圖與實(shí)際天線的設(shè)計(jì)計(jì)算方向圖在相應(yīng)頻率點(diǎn)上相當(dāng)吻合。實(shí)際天線陣的饋線系統(tǒng)(包含有源的微波前端)幅相分布測試值與設(shè)計(jì)值的偏差為:幅度0.35 dB(r.m.s)、相位5°(r.m.s)，據(jù)此可以推斷實(shí)際天線陣俯仰面的方向圖與預(yù)期的余割賦形值較為吻合。

190 MHz時(shí)實(shí)測的天線方位面半功率波束寬度在不掃描時(shí)為5.5°，掃描到 ±30°時(shí)為 6°，增益均在28.5 dBi以上。

6 結(jié)語

詳細(xì)介紹了一種雙波束同步掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)方法。通過利用陣列天線幅度相位易于控制的優(yōu)點(diǎn)，使該天線具有方位面低副瓣和俯仰面余割賦形的波束;通過多波束網(wǎng)絡(luò)，使天線陣在射頻上直接形成兩個(gè)交叉波束。在天線測試中，也采用了外場實(shí)測與縮比模型相結(jié)合的測試方法。這些方法對(duì)于大型相控陣天線的研究與設(shè)計(jì)具有較高參考價(jià)值。這種體制的天線可用于目標(biāo)的偵察定位和跟蹤，在電子對(duì)抗領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］林昌祿主編.天線工程手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［3］汪茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，1989.

［4］孫茂友.離散陣的 W-S綜合法—Woodward法改進(jìn)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1995，10(1.2)，166-171.