一種二次雷達大垂直口徑天線的電訊設(shè)計

汪旭東，徐 濤

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088）

一種二次雷達大垂直口徑天線的電訊設(shè)計

汪旭東，徐 濤

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088）

本文分析了一種二次雷達大垂直口徑天線的電訊設(shè)計方法，包括列饋、行饋的設(shè)計，介紹了和波束、差波束、控制波束的設(shè)計思路及仿真結(jié)果。通過實際的工程樣機測試，驗證了設(shè)計方法的有效性和實用性。

大垂直口徑天線；二次雷達；和波束；差波束；控制波束

1 引言

S模式單脈沖二次雷達天線是二次監(jiān)視雷達非常重要的組成部分，它對整機系統(tǒng)性能起到?jīng)Q定性的作用。大垂直口徑天線技術(shù)是二次雷達系統(tǒng)的革命性技術(shù)，其最大的特點就是減少了由于反射造成的虛假目標(biāo)和多徑造成的威力盲區(qū)。同時，為了適應(yīng)單脈沖技術(shù)體制測角的要求和進行副瓣抑制的需要，天線在水平方向上具有∑，Δ，Ω三波束。

S模式單脈沖二次雷達天線主要由列饋輻射單元、行饋合成網(wǎng)絡(luò)、背向單元、射頻同軸電纜、箱體結(jié)構(gòu)件、支架等組成。和波束利用前向35個列線源形成具有高增益、低副瓣、窄波束覆蓋的筆形波束，以確保可靠的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并進行監(jiān)測和跟蹤；差波束利用陣列兩邊各18個列線源形成單脈沖波束，中間為零深，并利用差波束的零點來精確確定目標(biāo)的方位；副瓣抑制波束利用全部的前向和后向共36個列線源，通過特定的幅相分布形成類似的全向波束，實現(xiàn)對和波束副瓣的匿影，以防止天線副瓣對詢問信號響應(yīng)而出現(xiàn)多點應(yīng)答現(xiàn)象。三個波束在垂直面具有相同的波束形狀，通過采用大垂直面口徑對垂直面方向圖進行優(yōu)化，形成余割平方波束覆蓋，同時在低空銳截止并形成低副瓣，減小打地能量，降低地面反射的影響。

2 系統(tǒng)組成原理框圖

天線系統(tǒng)組成原理框圖見圖1。

3 列饋輻射單元

垂直面波束是由35個列饋和1個背向單元形成的，各個列饋具有相同的結(jié)構(gòu)和電性能，被三個通道共用，具體的要求是在垂直面形成滿足空域覆蓋的余割平方波束，同時在低空銳截止并形成低副瓣。在設(shè)計時每個列饋采用11個偶極子單元，單元間距為150mm，通過板線功分網(wǎng)絡(luò)進行饋電，形成滿足要求的波束覆蓋。單根列饋的水平方向圖見圖2，垂直方向圖見圖3。

和波束在設(shè)計時采用35個單元的-38dB泰勒加權(quán)分布，在實際的工程實現(xiàn)時，為了兼顧差波束的波瓣特性，我們對其幅度分布在邊上的8個單元進行了修正，理論計算方向圖見圖4，由仿真的情況可以看到，幅度分布修正后計算的方向圖的最大副瓣在-35dB的量級。

圖1 天線系統(tǒng)組成原理框圖

圖2 列饋的水平方向圖

圖3 列饋的垂直方向圖

圖4 理論計算和波束方向圖

差波束在設(shè)計時采用35個單元的－38dBBayliss分布，以實現(xiàn)較低的副瓣電平。在工程設(shè)計時采用修正后的Bayliss幅度分布，理論計算的遠場方向圖見圖5。

圖5 理論計算差波束方向圖

副瓣抑制波束基本形成一個全向波束，其中前向中間（第18路）列線源的能量通過抑制通道耦合器經(jīng)和通道能量耦合而來，其耦合度滿足和波束泰勒分布時中間通道的能量比，因此耦合度為中間單元和其他34個單元的功率之比，則耦合度為-11.79dB。副瓣抑制通道工作時，主要能量經(jīng)過背向線源耦合器饋電給背向列線源，耦合能量到前向第18路線源，同時通過抑制通道耦合器耦合的能量經(jīng)過和波束合成網(wǎng)絡(luò)到前向其他的34個列線源，提供泰勒加權(quán)分布。對于相位來說，中間第18路線源與其他34路線源反相，這樣就形成了具有在和波束主瓣區(qū)間凹口，其他方位全向的副瓣抑制波束實現(xiàn)對和波束副瓣干擾的抑制。遠場方向圖參見圖6。背向線源耦合器的耦合度為-3dB。

圖6 理論計算控制波束方向圖

根據(jù)以上對三個通道波束的考慮，我們對三個波束的理論計算方向圖的相對增益予以歸一化考慮得出如圖7所示的和、差、控制各通道波束遠場方向圖的相對應(yīng)關(guān)系。

圖7 水平三波束方向圖

4 行饋網(wǎng)絡(luò)

二次雷達天線的行饋是空管二次雷達天線的重要組成部分，作為饋源的功率分配網(wǎng)絡(luò)，它為雷達天線提供特定的幅相分布，使之實現(xiàn)需求的增益及波瓣特性。在設(shè)計時，利用混合環(huán)的特性，使得和、差和副瓣抑制通道共用一個功率功分/合成網(wǎng)絡(luò)；在有限的空間內(nèi)，將功分器與混合環(huán)一體化設(shè)計，減少信號的往返、縮短信號傳輸路徑，由此降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高天線系統(tǒng)增益。

考慮到實際加工的困難與網(wǎng)絡(luò)布線的方便性，我們將行饋網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上分成四個部分：左邊饋、右邊饋、中饋1、中饋2。其中，左右邊饋為鏡像對稱結(jié)構(gòu)，均采用獨立盒體封裝。為了實現(xiàn)天線陣面外觀的整體性，減小電纜組件連接的長度，饋電網(wǎng)絡(luò)均放置在天線背面的盒體內(nèi)。同時，考慮到損耗及功率容量等因素的限制，饋電網(wǎng)絡(luò)均采用空氣帶狀線的形式，這種形式的網(wǎng)絡(luò)相位均勻，損耗小，功率容量大。網(wǎng)絡(luò)中以Gysel功分器、Wilkinson隔離型功分器作為單元電路，抑制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的多次反射，使網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的幅度和相位控制達到所期望的精度。圖8為行饋中的混合環(huán)功分器。

圖8 混合環(huán)功分器

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

饋電網(wǎng)絡(luò)擬采用雙層板線結(jié)構(gòu)形式，蓋板采用鋁蒙皮蜂窩板結(jié)構(gòu)，在增加網(wǎng)絡(luò)剛度的同時盡量減輕其重量。根據(jù)功率承受要求，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)腔高選為8mm，內(nèi)導(dǎo)體采用厚度為1mm的高強度銅板線切割成所要求的電路圖，加工精度可以控制在0.05mm。

4.2 空氣帶線的功率容量分析

按照發(fā)射機輸出峰值功率2kW，占空比10%考慮。該能量通過中饋1和中饋2的功率分配后再到左、右邊饋及第18路列線源，構(gòu)成和波束形成網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)和波束單元激勵幅度要求，可以計算得到：和波束形成網(wǎng)絡(luò)總口和分口需要承受的最大峰值功率分別為2000W（平均功率為200W）和132.4W（平均功率為13.2W）。

根據(jù)有關(guān)文獻中給出的空氣介質(zhì)圓角導(dǎo)帶帶狀線最大功率容量的估算公式

式中，b為空氣帶狀線兩外導(dǎo)體的內(nèi)表面間距0.8cm；t為空氣帶狀線內(nèi)導(dǎo)體的厚度0.1cm；Z0為空氣帶狀線的特性阻抗；S為帶狀線上的最大電壓駐波系數(shù)2.0；P為標(biāo)準大氣壓1atm。

計算得出本網(wǎng)絡(luò)帶狀線的擊穿功率容量為（50W）700kW，考慮到海拔高度、氣溫等環(huán)境因素對于系統(tǒng)功率容量的影響，得出本網(wǎng)絡(luò)的擊穿功率容量為75kW，因而完全能夠滿足系統(tǒng)功率容量的指標(biāo)要求。

5 天線外形圖及技術(shù)指標(biāo)

圖9 天線外形圖

天線外形圖見圖9，天線的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 天線主要技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)束語

本文給出了一種二次雷達大垂直口徑天線的電訊設(shè)計方案及工程經(jīng)驗參考，經(jīng)過大量的仿真計算、微波暗室測試及工程試驗，達到了相關(guān)的國家標(biāo)準并滿足了工程使用要求。

[1] 張尉．二次雷達原理．北京：國防工業(yè)出版社，2007

[2] 王建，鄭一農(nóng)，何子遠．陣列天線理論與工程應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2015

[3] 鐘順時．天線理論與技術(shù)（第2版）．北京：電子工業(yè)出版社，2015

[4] （美）Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko著．王子宇，張肇儀，徐承和譯．射頻電路設(shè)計--理論與設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002

[5] 中國民用航空總局．空中交通管制二次監(jiān)視雷達設(shè)備技術(shù)規(guī)范MH/ T4010-2006

A Telecommunications Design of a Large Vertical Aperture Antenna in Monopulse Secondary Surveillance Radar

Wang Xudong, Xu Tao
(Anhui Sun Create Electronics Co., Ltd., Hefei, 230088)

This paper analyzes a Telecommunications design method of a Large Vertical Aperture Antenna in Monopulse Secondary Surveillance Radar, including Design of column feed and row feed. This paper also describes the design ideas and emluator result of Sum Beam、Difference Beam、Control Beam.Through the actual engineering prototype test,Which proves the validity and practicability of the design method.

Large Vertical Aperture Antenna; Secondary Surveillance Radar; Sum Beam; Difference Beam; Control Beam.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.008

TN95

A

1672-7274（2017）01-0030-04