和差一體化雷達(dá)天饋線研究

湯艷燕，王周海，鄒永慶，謝　科，2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230088)

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和差一體化雷達(dá)天饋線研究

湯艷燕1，王周海1，鄒永慶1，謝科1，2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230088)

介紹了一種體積小、質(zhì)量輕及和差一體化網(wǎng)絡(luò)的相控陣?yán)走_(dá)天饋線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了方位面同時(shí)和差波束。詳細(xì)介紹了饋線系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的校正方法和校正原理，討論了影響天線性能指標(biāo)的誤差因素，給出了和差一體化天饋線系統(tǒng)主要指標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

雷達(dá)饋線系統(tǒng)；和差一體化網(wǎng)絡(luò)；和差相對(duì)幅度；和差相對(duì)相位；天線增益；波束指向

0　引　言

本文研究的是一種放置在狹小空間內(nèi)的和差一體化相控陣?yán)走_(dá)天饋線系統(tǒng)，要求體積小、質(zhì)量輕且適用于機(jī)載雷達(dá)工作環(huán)境。該雷達(dá)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)方位面同時(shí)和差波束測(cè)角，如采用常規(guī)的設(shè)計(jì)需要饋線系統(tǒng)配置一組和波束形成網(wǎng)絡(luò)、一組差波束形成網(wǎng)絡(luò)，兩套網(wǎng)絡(luò)加上其他的功能器件，會(huì)使得饋線系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。綜合考慮雷達(dá)系統(tǒng)的特殊使用環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮減少設(shè)備復(fù)雜性，整個(gè)饋線系統(tǒng)巧妙地與天線陣面集成在一體，有效地減少了雷達(dá)的體積和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了很好的性能指標(biāo)要求。

1　和差一體化雷達(dá)天饋系統(tǒng)組成

1.1天饋系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)要求

本雷達(dá)采用數(shù)字波束形成技術(shù)，其天饋系統(tǒng)由背靠背雷達(dá)天線陣面、T/R單元、波束控制單元、波束合成與分配網(wǎng)絡(luò)[1]、二次電源等組成。每個(gè)有源天線陣面為N根對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)線源、其單元分別和N只T/R單元相連。有一行波陣列饋源實(shí)現(xiàn)有源天線的電流口徑分布采樣。天線發(fā)射時(shí)水平面采用均勻加權(quán)。該系統(tǒng)只能對(duì)和波束進(jìn)行通道幅相誤差校正，使得差波束的幅相誤差只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自身來(lái)實(shí)現(xiàn)。饋線系統(tǒng)中和差兩組波束形成只能采用獨(dú)立的加權(quán)設(shè)計(jì)。和波束幅度加權(quán)由T/R組件內(nèi)數(shù)字衰減器實(shí)現(xiàn)，依靠T/R組件的發(fā)射功率一致性及相位控制實(shí)現(xiàn)天線遠(yuǎn)區(qū)低副瓣。接收時(shí)采用幅度加權(quán)實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的低副瓣。和波束按Taylor分布加權(quán)，差波束饋電網(wǎng)絡(luò)采用Bayliss分布加權(quán)設(shè)計(jì)。其原理圖見(jiàn)圖1所示。

圖1　和差一體化饋線系統(tǒng)原理圖

饋線系統(tǒng)通過(guò)合理的布局將和差兩套網(wǎng)絡(luò)巧妙集成在一起進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，其主要由和差共面饋線網(wǎng)絡(luò)組成，也稱(chēng)寄身式和差一體化波束形成網(wǎng)絡(luò)。1∶N路和差一體化波束形成網(wǎng)絡(luò)通過(guò)T/R單元與天線子陣匹配，見(jiàn)圖2所示。其和波束是收發(fā)兼用，差波束只用于接收。和差波束的激勵(lì)方式是采用雙重激勵(lì)，一種激勵(lì)使各單元相對(duì)于主瓣最大值都是同相激勵(lì)的，以直接產(chǎn)生和方向圖。另一種激勵(lì)把整個(gè)陣列以幾何中心分成兩半，兩個(gè)半陣列的激勵(lì)相位相差180°以直接產(chǎn)生差方向圖。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1) 子陣設(shè)計(jì)技術(shù)

從圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)的子陣式設(shè)計(jì)技術(shù)。即N路饋電網(wǎng)絡(luò)共分成三級(jí)：第1級(jí)由若干只1∶3和差一體化波束形成網(wǎng)絡(luò)組成；第2級(jí)由若干只1∶4和差一體化波束形成網(wǎng)絡(luò)組成；第3級(jí)由若干只1∶16和差一體化波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。級(jí)與級(jí)之間通過(guò)低損耗柔軟電纜連接。

(2) 共用底板設(shè)計(jì)技術(shù)

第1級(jí)和第2級(jí)和差一體化饋線網(wǎng)絡(luò)1和2和差網(wǎng)絡(luò)均采用共腔體設(shè)計(jì)，在兩套網(wǎng)絡(luò)的中間共用一塊底板，同時(shí)底板上開(kāi)孔以兼作和波束的傳輸通道，從而減小了體積和質(zhì)量，節(jié)約了饋線系統(tǒng)內(nèi)部空間。

(3) 微帶垂直過(guò)渡技術(shù)

第3級(jí)和差一體化饋線網(wǎng)絡(luò)3在其薄介質(zhì)基板上采用了最優(yōu)化的微帶垂直過(guò)渡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了和差通道的電氣互聯(lián)和結(jié)構(gòu)上的分離，提高了網(wǎng)絡(luò)的集成度，進(jìn)一步減小了體積和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了和差網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)。

(4) 多種功分器電路統(tǒng)一設(shè)計(jì)技術(shù)

差波束采用有耗網(wǎng)絡(luò)[2]實(shí)現(xiàn)Bayliss分布，簡(jiǎn)化了單元功分器品種，從而減小了饋線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

(a) 陣面和差網(wǎng)絡(luò)示意

(b) 陣面和差波束合成輸出示意圖

1.2復(fù)雜天饋線系統(tǒng)性能指標(biāo)

(1) 饋線系統(tǒng)駐波

該饋線系統(tǒng)中發(fā)射通道和接收通道都由多級(jí)饋線元件組成，各個(gè)元件的連接很難做到完全匹配。由于這些不匹配節(jié)點(diǎn)的存在，電磁波在系統(tǒng)中的反射不可避免。反射波引起的各單元通道之間的幅相一致性對(duì)天線的增益、副瓣等都有不同程度影響。所以，要使信號(hào)能夠在和差通道間反射損耗小，能量能夠充分傳輸，和差通道總口和分口駐波盡量小。

以某一個(gè)反射系數(shù)|Гp|和在頻帶內(nèi)不超過(guò)此值的概率P來(lái)描述饋線系統(tǒng)駐波[3]。

一般情況下，假定|Гi|在頻帶內(nèi)為等概率分布,則|Г|≤∣Гp∣

式中，ξi為輸入端口到第i個(gè)元件之前的雙程電壓衰減系數(shù)的模值，|Гi|max為頻帶內(nèi)的最大值，|Гi|min為頻帶內(nèi)的最小值。

(2) 和差通道幅度及相位

該相控陣天線系統(tǒng)只能對(duì)和波束進(jìn)行通道幅相誤差校正，而且被校正信號(hào)仍為和差波束共用信號(hào)。差通道必須具有高度的幅相穩(wěn)定性(不能被校正)。由于在和差信號(hào)分開(kāi)之前就實(shí)現(xiàn)了和波束的幅度和相位加權(quán)，因此差波束的幅度和相位加權(quán)只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)保證。要實(shí)現(xiàn)差波瓣必須保證陣面有180°的相差，即保證和差相對(duì)相位左半個(gè)陣面和右半個(gè)陣面相差180°。子陣式設(shè)計(jì)中第1級(jí)和差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)陣面相差180°。和波束在T/R組件中實(shí)現(xiàn)Taylor分布，要求饋線系統(tǒng)和通道幅度同頻點(diǎn)起伏較小。

(3) 和差相對(duì)相位

對(duì)于和差一體化設(shè)計(jì)，饋線網(wǎng)絡(luò)在與T/R單元相連接處又分成N/16塊子塊。子塊與子塊之間和差相對(duì)相位不宜有過(guò)大的相位臺(tái)階。相對(duì)相位臺(tái)階過(guò)大對(duì)整個(gè)副瓣影響極大，因一個(gè)臺(tái)階影響到16個(gè)天線單元的相位值，左半個(gè)陣面和右半個(gè)陣面在保證180°的情況下相對(duì)相位盡量保持一致。

(4) 和差相對(duì)幅度

陣內(nèi)分口和差共用。差通道Bayliss分布加權(quán)是靠饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，和波束在T/R組件中已實(shí)現(xiàn)Taylor分布加權(quán)，所以在饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試階段將和差相對(duì)幅度與理想幅度要求一致。

在整機(jī)聯(lián)試階段饋線系統(tǒng)和差通道的相位一致性要求對(duì)波瓣最為敏感，且此系統(tǒng)較為復(fù)雜，誤差來(lái)源較多，具有很多不確定性，見(jiàn)表1。另外，差波瓣是通過(guò)小量化臺(tái)階衰減網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)Bayliss分布，不能進(jìn)行幅相校正。因此，要保證差波束有理想的波瓣圖就必須對(duì)和差相對(duì)幅度和相對(duì)相位提出較為嚴(yán)格的指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

2　和差一體化天饋線系統(tǒng)中的校正原理[4-5]

此天饋線系統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)是和差共用的。和波瓣的饋線系統(tǒng)幅度和相位誤差可以通過(guò)安裝在天線陣面的校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅度、相位校正。校正系統(tǒng)主要由校正信號(hào)源和射頻矩陣開(kāi)關(guān)通過(guò)弱耦合器(校正網(wǎng)絡(luò))與T/R模塊、射頻波束形成網(wǎng)絡(luò)、幅相接收機(jī)一起構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的射頻校正通道。在校正時(shí)關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)和信號(hào)源，測(cè)試信號(hào)饋入校正網(wǎng)絡(luò), 通過(guò)先檢測(cè)各通道的幅度和相位，從DBF校正網(wǎng)絡(luò)依次取出復(fù)信號(hào)，用“Matlab工具”求得幅度、相位。利用波束控制系統(tǒng)將各通道的幅度和相位校正到需要的設(shè)計(jì)值，作相應(yīng)的幅相補(bǔ)償。校正原理如圖3所示。聯(lián)試時(shí)要對(duì)其系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行幅、相誤差修正。

圖3　和波束幅度(a)和相位(b)校正原理圖

3　和差共面天饋線系統(tǒng)中的誤差來(lái)源

此天饋線系統(tǒng)中的誤差來(lái)源較多，分析也較復(fù)雜，各類(lèi)誤差對(duì)幅度、相位影響較大，直接影響天線的性能指標(biāo)。通過(guò)內(nèi)校正，校正線以內(nèi)的饋線誤差可以被校正系統(tǒng)校正，校正后的結(jié)果見(jiàn)圖3所示。但是，來(lái)自校正線至天線陣面的誤差很難被系統(tǒng)校正，如表1所示。

表1　誤差來(lái)源及相關(guān)表

天線單元之間互耦所引起的駐波變化、幅度和相位變化等對(duì)天線波瓣的副瓣電平、天線增益以及波束指向等都有不同重度的影響。如何減小這些因素的影響成為天饋線系統(tǒng)工作者們研究的課題。系統(tǒng)的駐波、幅度、相位一致性和收發(fā)隔離等指標(biāo)都是至關(guān)重要的。由于本系統(tǒng)是一種基于T/R單元的天饋線系統(tǒng)，收發(fā)隔離主要靠T/R單元來(lái)保證，饋線系統(tǒng)的駐波可以通過(guò)一些調(diào)試方法盡量減小，且可通過(guò)內(nèi)校正被校正，但來(lái)自天線的誤差很難被校正，只能依靠經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4　和差一體化天饋系統(tǒng)主要指標(biāo)

和差一體化天饋系統(tǒng)主要指標(biāo)有和差相對(duì)幅度和相對(duì)相位，圖4給出了等權(quán)模式下的和差相對(duì)幅度，圖5給出了和差相對(duì)相位，圖6給出了和差波瓣圖。

圖4　一體化天饋系統(tǒng)和差幅度

圖5　一體化天饋系統(tǒng)和差相位

圖6　一體化天饋系統(tǒng)未加權(quán)值時(shí)波瓣圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、性能好的N路和差共用一體化設(shè)計(jì)的天饋線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水平面同時(shí)和差波束測(cè)角，發(fā)射激勵(lì)等幅，差波束有很高的零深與副瓣，和差陣面通過(guò)采用微帶垂直過(guò)渡實(shí)現(xiàn)了和差通道的電氣互聯(lián)和結(jié)構(gòu)上的分離，每個(gè)陣面獨(dú)立工作，已成功地應(yīng)用于某雷達(dá)產(chǎn)品。

[1]雷振亞. 射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：20-21.

[2]湯艷燕,王周海,張佳龍.S波段高精度小量化臺(tái)階衰減網(wǎng)絡(luò)的研究[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2008(3).

[3]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994:30-33.

[4]曹俊鋒,許建文,方云.接收DBF雷達(dá)系統(tǒng)校正技術(shù)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007(4).

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Asumanddifferenceintegratedradarantennaandfeedersystem

TANGYan-yan1,WANGZhou-hai1,ZHOUYong-qing1,XIEKe1，2

(1.No.38ResearchInstituteofCETC,Hefei230088;2.ApertureArrayandSpaceDetectionKeyLabofAnhuiProvince,Hefei230088)

Anantennaandfeedersystemofthephasedarrayradarwithsmallsize,lightweightandsumanddifferenceintegratednetworkisintroduced,realizingthesimultaneoussumanddifferencebeamsinazimuthplane.Thecompositionanddesignofthefeedersystemareintroducedindetail,andthecorrectionmethodsandprincipleofthesystemarebrieflyintroduced.Theerrorfactorsthataffecttheantennaperformancesarediscussed,andthemainindexesofthesumanddifferenceintegratedantennaandfeedersystemaregiven.

radarfeedersystem;sumanddifferenceintegratednetwork;sumanddifferencerelativeamplitude;sumanddifferencerelativephase;antennagain;beampointing

2016-04-03；

2016-04-20

湯艷燕(1979-)，女，工程師，研究方向：雷達(dá)天饋線系統(tǒng)；王周海(1969-)，男，研究員，研究方向：雷達(dá)天饋系統(tǒng)。

TN821.8

A

1009-0401(2016)03-0054-04