一種柱面共形單脈沖相控陣天線

郭斌興，王 杰，蘇宏艷

（毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854）

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的快速發(fā)展，面對(duì)高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)和復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的威脅，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭需要具備波束快速掃描、空域?yàn)V波、寬視角目標(biāo)跟蹤等能力。柱面共形相控陣天線應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)，將帶來(lái)大離軸發(fā)射、大視角空間探測(cè)跟蹤、快速掃描、增益保持等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有適于多傳感器復(fù)合制導(dǎo)、提高導(dǎo)彈隱身性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［1-3］。

柱面共形相控陣天線的研究已有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間?，F(xiàn)有天線主要用于地面、艦載和機(jī)載的通信或監(jiān)視雷達(dá)［4］，上述平臺(tái)對(duì)于天線安裝的空間要求較低，天線波束形成與掃描采用固定饋電的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、透鏡掃描、數(shù)字波束形成等方式，通常收發(fā)只需一個(gè)和波束。而目前彈載共形相控陣天線的研制還面臨著諸多技術(shù)難題，尤其是將其應(yīng)用到單脈沖角跟蹤導(dǎo)引頭，一方面彈載空間狹小，要實(shí)現(xiàn)天線硬件的共形組陣和高密度安裝；另一方面還要求柱面共形相控陣天線在波束電掃描、切換饋電區(qū)域的同時(shí)，實(shí)時(shí)形成和、差波束，用于導(dǎo)引頭測(cè)角，功能也更加復(fù)雜。本文結(jié)合工程需求，設(shè)計(jì)并研制了一種柱面共形單脈沖相控陣天線，工作于Ku波段。該天線沿圓柱軸向采用常規(guī)的相位控制掃描，沿圓柱周向通過(guò)特殊的多級(jí)饋電和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換與相位控制相結(jié)合的掃描方式并實(shí)時(shí)形成和、差波束。

1 天線組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的彈載柱面共形單脈沖相控陣天線原理樣機(jī)，包括：柱面相控陣天線陣列、1×8線陣模塊（含T／R 組件）、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、饋電網(wǎng)絡(luò)、和差比較器、波束控制器、電源等，系統(tǒng)原理如圖1所示。

天線系統(tǒng)采用模塊化方式集成，由N 片1×8線陣模塊沿圓柱周向排列組成，所占扇區(qū)對(duì)應(yīng)的圓心角為90°。波束掃描時(shí)，波束控制器接收外部掃描角度指令（θ，φ），進(jìn)行處理解算，控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)及柱面共形相控陣天線陣列，選通周向2 M（N＝3 M）片線陣模塊，占圓心角60°的柱面扇區(qū)為饋電區(qū)域，使波束指向指令角度，并將其劃分為A、B 兩個(gè)相互對(duì)稱(chēng)的象限用于和差波束形成。波束掃描過(guò)程中，陣元工作的通斷切換和幅相加權(quán)隨時(shí)變化，由開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、功分器等組成的饋電網(wǎng)絡(luò)與波束控制器共同配合實(shí)時(shí)解決。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

天線發(fā)射時(shí)，信號(hào)加到和差比較器的Σ 端，激勵(lì)選通的天線扇區(qū)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)功分器和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，饋入到受激勵(lì)的各列向線陣模塊的射頻信號(hào)口，在模塊內(nèi)經(jīng)1／8等功率分配到每一個(gè)陣元通道；天線接收時(shí)，A、B兩個(gè)象限的接收信號(hào)分別輸入到和差比較器端口，和差比較器的Σ端輸出和信號(hào)（A＋B），Δ 端輸出周向方位差信號(hào)（A-B），用于圓周向單脈沖測(cè)角。收發(fā)信號(hào)通過(guò)環(huán)形器隔離。

2 天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 柱面共形陣組陣方式

柱面共形單脈沖相控陣天線選擇“磚塊式”組陣方式。如圖2所示，N 片1×8線陣模塊沿圓柱周向排列，對(duì)應(yīng)圓心角為90°。天線輻射陣元的極化方向平行于圓柱母線，避免了共形帶來(lái)的交叉極化問(wèn)題［5］。為盡量減小陣元間互耦影響，同時(shí)在掃描范圍內(nèi)不出現(xiàn)柵瓣，天線陣元間距如下：周向d1＝0.6λ，軸向d2＝0.6λ，λ為工作中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

適用于共形相控陣天線的陣元形式包括微帶貼片天線、偶極子天線、Vivaldi槽線天線等［6］。考慮本系統(tǒng)天線組陣方式及集成要求，如圖3所示，輻射陣元采用偶極子天線，帶狀線饋電，帶寬及波束寬度都能滿足要求，且制作工藝簡(jiǎn)單便于集成，與印刷電路工藝兼容。

2.2 T／R 模塊

T／R 模塊電路設(shè)計(jì)在LTCC 基板上完成，包括有源芯片、微帶功分網(wǎng)絡(luò)、電源線、控制線等，并集成了陣元天線，其原理框圖如圖4所示。每個(gè)1×8線陣模塊包含8路收發(fā)通道（T／R），每個(gè)通道包含天線輻射陣元、低噪聲放大器（LNA）、中功率放大器（MPA）、矢量調(diào)制器（VM）和兩個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)（SPDT），每個(gè)模塊采用等功分設(shè)計(jì)，使得通道的相位和幅度保持一致。

圖2 磚塊式柱面共形相控陣 天線組陣圖

圖3 天線陣元示意圖

圖4 T／R 模塊原理框圖

2.3 多級(jí)饋電及開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于柱面共形單脈沖相控陣天線，每一瞬時(shí)當(dāng)波束掃描到某一方向時(shí)，由于遮擋等因素，并非所有陣元都對(duì)主波束有貢獻(xiàn)，為避免增加旁瓣電平和降低效率，必須根據(jù)掃描角度選通貢獻(xiàn)大的部分陣元而關(guān)斷其它陣元；同時(shí)為滿足導(dǎo)引頭需求，形成單脈沖和、差波束。因此，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是天線研制的難點(diǎn)［7］。

本天線系統(tǒng)采用收發(fā)共用的多級(jí)強(qiáng)制饋電網(wǎng)絡(luò)，包括1×8的T／R 模塊（含1∶8功分器）、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、1∶M功分器、和差器等。其中，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)為形成和、差波束時(shí)進(jìn)行通道選擇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個(gè)連接T／R 模塊和1∶M 功分器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由2 M個(gè)單路選通微波矩陣開(kāi)關(guān)組成。矩陣開(kāi)關(guān)具有體積小、頻帶寬、隔離度高、帶內(nèi)平坦等技術(shù)特點(diǎn)，工作頻帶內(nèi)端口駐波小于-10dB，插損小于5dB，各矩陣開(kāi)關(guān)間插損不一致性小于1dB。

整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計(jì)、工藝、加工等方面保證各通道之間信號(hào)幅度、相位的一致性，盡量降低饋線損耗，提高耐受功率、通道隔離度。在天線集成后，實(shí)測(cè)出通道間幅度、相位誤差，進(jìn)一步在波束控制器中進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 天線波束掃描控制

柱面共形相控陣天線，波束掃描到不同的方向，需要選擇不同的扇區(qū)。為實(shí)現(xiàn)要求的方向圖合成低副瓣及波束精確指向，每一個(gè)天線陣元都需要進(jìn)行獨(dú)立的幅度和相位加權(quán)，且幅度加權(quán)系數(shù)隨目標(biāo)的位置而變化，進(jìn)一步增加了波束控制的難度。

本天線波束沿周向掃描時(shí)，采用兩級(jí)控制［8］。

第1級(jí)為粗略控制，按照一個(gè)周向單元的增量移動(dòng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)選通、切換不同激勵(lì)扇區(qū)，提供對(duì)波束的粗略控制，對(duì)應(yīng)的掃描步長(zhǎng)為周向單元的角度間隔。示意圖如圖5所示。

第2級(jí)為精確控制，在選通的激勵(lì)扇區(qū)內(nèi)對(duì)所有陣元進(jìn)行幅度、相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)精確控制，使得天線的等相位面始終垂直于波束方向。如圖6所示的全局圓柱坐標(biāo)系下，第（m，n）天線陣元坐標(biāo)為（R，φmn，zm），波束空間指向角為（θ，φ）。對(duì)于每個(gè)天線陣元，將上述五個(gè)參數(shù)代入相應(yīng)公式，計(jì)算被選通陣元的理論相位偏移φmn 。為實(shí)現(xiàn)天線方向圖低副瓣要求，幅度分布采用切比雪夫或泰勒分布，利用投影法獲得柱面內(nèi)工作陣元的理論幅度激勵(lì)系數(shù)Amn。

圖5 切換激勵(lì)扇區(qū)，波束粗略 掃描示意圖

圖6圓柱坐標(biāo)系

由于天線不同通道間的實(shí)際幅度和相位不一致性等原因，在天線集成后首先進(jìn)行近場(chǎng)校準(zhǔn)，錄取相應(yīng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)ΔAmn、Δφmn ，并裝訂在天線波束控制器中。則掃描過(guò)程中，對(duì)每個(gè)陣元補(bǔ)償后的幅、相激勵(lì)系數(shù)為：

波束控制器完成波控指令的接收、處理、解算、分發(fā)，控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和各陣元通道的幅度、相位，進(jìn)行波束形成和掃描。同時(shí)，還具有總線接口擴(kuò)展以及與其它系統(tǒng)的時(shí)序配合、通道電源使能控制等功能。

3 測(cè)試結(jié)果

集成后的柱面共形單脈沖相控陣天線，分別針對(duì)不同饋電區(qū)域、不同頻段的情形，進(jìn)行相應(yīng)工作陣元通道幅度、相位的近場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的天線在天線暗室進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)試，包括天線和、差方向圖、天線指向精度、天線增益隨掃描角變化。

由圖7可以看出，本文設(shè)計(jì)研制的柱面單脈沖相控陣天線在圓周方向波束掃描時(shí)，和波束增益基本維持不變，副瓣滿足設(shè)計(jì)要求；差波束零深隨不同角度略有起伏變化，但總體上都低于-25dB 的設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿足單脈沖測(cè)角的要求。

圖7 周向掃描不同角度實(shí)測(cè)和差方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的柱面共形單脈沖相控陣天線，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在狹小彈載空間中天線的高密度集成。通過(guò)特殊的多級(jí)饋電和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，滿足了波束掃描轉(zhuǎn)換饋電區(qū)域的同時(shí)形成單脈沖測(cè)角和差波束的需求。研制成功的天線性能良好，測(cè)試結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的可行性和理論分析的正確性，為進(jìn)一步研制360°全向掃描的柱面共形單脈沖相控陣天線奠定了基礎(chǔ)。■

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