風廓線雷達有源相控陣天線研究

羅琦　史冰蕓

摘要：風廓線雷達有源相控陣天線可以顯著避免來自地雜波的干擾，非常適用于氣象領域。文章從系統(tǒng)整體設計、天線輻射模塊方案、收發(fā)單元的設計、功放單元的設計、天線陣的設計等方面詳細闡述了此種天線的研發(fā)過程。

關鍵詞：風廓線雷達；有源相控陣天線；輻射模塊；收發(fā)單元；功放單元

1.風廓線雷達研究概述

作為一種新型雷達，風廓線雷達擁有很高的性能和較為廣闊的適應性，因此近年來廣受關注。相關領域已經出現了一些較為成熟的產品，其實現方法也可分為多個類別。為了適應使用環(huán)境對雷達的指標要求，本文在同類產品的基礎上，設計并實現風廓線雷達有源相控陣天線。

2.系統(tǒng)整體設計

筆者在考察同類設備之后進行了充分的論證，同時為保證雷達所采用的技術成熟度及先進性，本研究最終確定風廓線雷達設計模式為：全相參T/R分布式有源相控陣模式。之所以選用這種模式，是考慮到其本身所固有的一些長處：首先，此種模式是能量分布發(fā)射的，因此能夠在很大程度上降低對大功率單元的使用，同時增強雷達的可靠度指數；其次，這種模式能夠減少對功率發(fā)射單元的散熱水平要求，用戶完全能夠通過風冷的方式對其溫度進行維持；第三是其減少了雷達中的移相器等器件在收發(fā)信號時的損耗；第四是能夠增強每一個發(fā)射單元的占空比數據值，從而得到更加令人滿意的輸出效果，提升系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)整體設計示意如圖1所示。

由圖1可知，在整個風廓線雷達有源相控陣天線中，主要部件包括由400組輻射單元、20組收發(fā)單元和必要的饋電單元等部件組成的相控陣天線。在這些部件的支持下，雷達的工作原理為：通過計算機結合用戶所確定的具體模式，將控制信息發(fā)送至信號產生單元，生成探測信號，這些探測信號通過發(fā)射機的放大作用，形成收發(fā)單元所需的標準射頻信號，這些射頻信號在收發(fā)單元的作用下經過移相變換、再通過功放增強功率，最終到達天饋線發(fā)射到空間。所有的收發(fā)單元所產生的脈沖會在空間完成彼此間的功率合成，從而把所發(fā)射的所有能量匯集至某一波束。在探測的時候，結合所收到的回波信號能夠得到大氣運動徑向值。而以上的操作不斷進行，便可以逐步獲取所有指向的徑向速度，從而得到探測目標的所需參數，完成探測。

3.主要部件的設計

有源相控陣天線含有多個模塊，這里對其中較為重要的幾個模塊的設計方案進行闡述。

3.1天線輻射模塊方案

本研究所設計的相控陣天線，與其他天線相比，其最大的特點就是包含了大量能量單元，每一個單元均彼此獨立地發(fā)射電磁波，而所有單元所發(fā)射的電磁波能量，是在空中進行強化合成的。因此，只要設置每一個發(fā)射單元波的相關參數，便能夠調整波束的具體指向。本研究最初所選用的方案是短背射式單元，這種單元的優(yōu)勢在于增益很高，因此能夠降低所使用的單元總量，并降低天線所需的收發(fā)模塊數量。然而因為不同模塊之間的距離較大，在進入掃描的時候常常產生柵瓣現象，而且模塊的方向圖遠瓣很高，所以難以對柵瓣進行消除。在多次試驗之后，筆者最終選取的是半波振子模塊，其優(yōu)勢在于，這種模塊的結構不復雜、可靠度較高，加之因為不同模塊間的距離很短，因此不存在柵瓣，便于得到低副瓣性能，能夠顯著降低地雜波干擾，有利于在風廓線雷達中使用。

本研究所選用的半波振子天線，在類別上屬于線性天線，且構造較為簡單。典型的半波振子天線由2根金屬棒構成。通過垂直正交排列的方式進行組合。在端點施加必要的電位，從而在金屬棒上產生電流，由此形成輻射。因為這些振子是基于陣反射面的，因此完全能夠獲取半波振子天線的方向圖。

經過測量與計算，可知半波振子主瓣寬度是78dB，如果除去反射部件，其增益大概在2.2dB左右。由于半波振子電抗是0，所以僅涉及電阻值；即使振子臂發(fā)生了變化，由于電阻值是恒定的，因此經過調試就能夠和電纜實現很好的匹配。單元振子方向圖是取決于天線方向圖的。測量后可知，E與HN個面的方向圖非常接近。因此在設計中，把E作為掃描面，在很大程度上降低了遠區(qū)副瓣。

3.2收發(fā)單元的設計

收發(fā)單元能夠決定相控陣天線的無源或者有源。對于無源天線，其能量往往來自于發(fā)射機，再由功率分配器處理后，通過饋線進行發(fā)射。而對于有源的天線，則無須發(fā)射機，只要把功率向小模塊進行分配即可。

對于有源相控陣天線，收發(fā)單元的作用是十分重要的，所有的收發(fā)單元經過排列組合，共同完成天線的發(fā)射接收。單個的收發(fā)單元功率通常很小，但由于天線由多個單元構成，所以其最終的功率較高。而正是由于單個收發(fā)單元功率不高，所以降低了對功率的需求，使得整體系統(tǒng)不必太考慮散熱問題，為系統(tǒng)的維護和使用帶來方便。

然而同時應該考慮到的是，假若為每個輻射模塊均配置收發(fā)單元，這個系統(tǒng)的管理維護難度將會提升，系統(tǒng)的建造成本也會提高。所以在進行設計的時候，無論是收發(fā)單元的個數、還是發(fā)射的功率值選擇和方向圖等參數均應進行通盤考慮。在仿真和測量之后，本研究最終決定選取行列分別饋電的網絡，把饋電轉換成線陣，使系統(tǒng)的可靠性得到保障。

為提升系統(tǒng)收發(fā)效率，將收移相器和發(fā)移相器分別進行設置，所以可以把收發(fā)單元以功能種類進行劃分。為了節(jié)約空間，這兩類單元依舊布置在同一板卡，便于測量和排查故障。

3.3功放單元的設計

功放單元在很大程度上決定了天線系統(tǒng)的損耗與方向圖，通常包括功率分配單元和合成單元等。在本研究開始的時候，為所有的收發(fā)單元設置功率分配器，然而在仿真測試的過程中，難以準確地進行配相，加之所選取的功分單元很多，為設備的安全性能留下了隱患。經過綜合考慮，最后確定為選區(qū)1：20的功分單元。這樣的模式一方面提升了設備的設計和制造難度，但其優(yōu)勢也顯而易見，能夠在很大程度上降低單元的數量，增強整個系統(tǒng)的運行安全性能。無論是功分單元還是功合單元均以泰勒函數進行加權處理?？紤]到不同單元存在著彼此的影響，且阻抗的變化幅度也比較明顯，在試驗仿真之后，結合所有的位置阻抗變化，對相關參數進行調節(jié)，使整個系統(tǒng)的性能得到增強，其各類參數達到了天線指標。

3.4天線陣的設計

在具體開發(fā)的過程中，先對小面陣進行觀測和參數提取，經過不斷試驗，得到一些必要的數據，對單元間距進行調整，最后確定不同單元的距離保持在波長0.68倍。將天線陣部署于桁架，整個過程中較為重要的是對天線陣面水平度進行調節(jié)，這個步驟關乎天線波束精度。位于同一行的天線模塊，可以共同使用一個收發(fā)單元，因此本系統(tǒng)所需的收發(fā)單元僅有20組。對這些收發(fā)單元加權饋電，從而構建掃描面方向圖。在天線陣的每行，以幅度加權的模式使其形成方向圖，經過組合構成整個系統(tǒng)的指向波束。系統(tǒng)設計完成之后進行指標的測試，通過測試數據可知，其參數值能夠達到設計的需求，和設備基于理論計算的一些參數有所不同，通過分析原因，發(fā)現最主要的因素是因為天線陣面的面積較大，因此假如以整體測試測試的方式，是難以十分精確地獲取其參數的。在此基礎上使用內場測試法對天線陣的性能進行測試，可知其與理論計算的數值十分接近。天線陣面布局如圖2N示。圖2中每一個小十字線表示一個交叉極化半波振子單元。

傾斜波束指向（14.2°）時的天線方向圖（θ=14.2°）如圖4所示。

實際測量值滿足了系統(tǒng)指標要求，與理論計算值差異可以忽略，系統(tǒng)滿足了設計需求。

4.結語

目前，不少設計仿真以及實用性的系統(tǒng)均可以證實，結合半波振子是完全可行的一種天線模式。其優(yōu)點是天線系統(tǒng)的結構不復雜、投資較少、設備性能可以滿足一般需求，此外因為單元之間的距離不大，所以不存在柵瓣現象，可以顯著避免來自地雜波的干擾，非常適用于氣象領域。收發(fā)單元的使用，可以以分散發(fā)射的模式，使每個單元的發(fā)射能量在空中進行加強，有效降低了發(fā)射機的規(guī)律功率要求，從而使整個系統(tǒng)不必太考慮散熱問題。而所有的TR模塊均已固態(tài)器件構建，因此系統(tǒng)的體積降低，相應的功耗也不高，系統(tǒng)的安全性得到了保障。