SELEX ALE-9與 INDRA CSL-M 天線分析比較

□ 民航寧夏空管分局 劉 帥 秦姍姍/文

本文分析比較空管二次監(jiān)視雷達(dá)SELEX ALE-9天線和INDRA CSL-M天線的物理結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)，繪制和差波束水平波束圖，從原理上計算兩天線的波束帶寬、旁瓣電平、零值深度等參數(shù)。最后根據(jù)和差波束水平波束圖，計算ALE-9于CSL-M天線的OBA曲線，分析比較兩個OBA曲線鑒角性能，為深入了解空管二次監(jiān)視雷達(dá)天線原理和性能提供了幫助和借鑒。

隨著民航事業(yè)的發(fā)展，民航監(jiān)視業(yè)務(wù)也隨之發(fā)展，在區(qū)域管制區(qū)和終端區(qū)大量部署了二次監(jiān)視雷達(dá)，其中意大利SELEX公司的 SIR-S/SIR-M 型二次雷達(dá)和西班牙INDRA公司 IRS 20MP/L 型二次雷達(dá)都有大量安裝，兩者均能提供優(yōu)異的監(jiān)視服務(wù)。SELEX雷達(dá)采用ALE-9型天線，INDRA雷達(dá)采用CSL-M型天線，ALE-9與CSL-M天線在結(jié)構(gòu)和饋電分配上均有很大的差異，由此產(chǎn)生的天線和差波束水平覆蓋也不盡相同，單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)偏離角(OBA,Off-Boresight Angle)表定義為天線差波束對和波束歸一化的幅值大小，OBA的準(zhǔn)確性對于測角精度至關(guān)重要，由于ALE-9與CSL-M天線結(jié)構(gòu)和饋電上的不同，導(dǎo)致其OBA表也不相同。本文通過分析ALE-9與CSL-M天線物理結(jié)構(gòu)和饋電系統(tǒng)，比較了兩個天線和差波束的性能指標(biāo)和OBA曲線的優(yōu)劣性。

ALE-9與CSL-M天線饋電結(jié)構(gòu)分析

民航二次空管監(jiān)視雷達(dá)天線為直線陣列陣，由N條列饋組成，N條列饋沿水平分布，形成和波束、差波束和控制波束的水平覆蓋。每條列饋垂直分布有10個或者11個偶極子，形成天線波束的垂直覆蓋。天線的控制波束用于詢問旁瓣抑制和接收旁瓣抑制，和波束用于詢問目標(biāo)，差波束主要用于單脈沖技術(shù)。

SELEX ALE-9 天線陣列由36根直線陣列組成，天線前面從左到右共35根輻射柱，天線背部1根輻射柱。其中1至35所有列饋形成和波束，1至17，19至35形成差波束，第18根列饋不參與差波束形成，它與天線背部1根列饋共同形成控制波束。ALE-9天線饋電結(jié)構(gòu)由2個10端口功率分配網(wǎng)絡(luò)、2個8端口功率分配網(wǎng)絡(luò)和10個環(huán)形電橋構(gòu)成。INDRA CSL-M天線陣列由33根直線陣列組成，天線前面板從左到右共35根輻射柱，天線背部1根輻射柱。其中1至33形成和波束，1至16，18至33形成差波束，第17根輻射柱和背部輻射柱形成控制波束。CSL-M天線饋電結(jié)構(gòu)由1個主分配矩陣、1個次分配矩陣和16個列饋功分器組成，其中列饋功分器為三端口器件，按衰減值不同分為D1、D2和D3三類。

ALE-9與CSL-M天線饋電物理結(jié)構(gòu)主要不同在ALE-9天線列饋左右兩兩對稱，比如（1，35），（2，34），（17，19）列饋饋電相同，而CSL-M天線則左右四根列饋對稱，如（1，2，32，33），（3，4，30，31），（15，16，18，19）列饋饋電相同。

ALE-9與CSL-M天線波束分析

ALE-9與CSL-M天線均為直線陣列。按照天線波束形成原理可知θ方向處遠(yuǎn)場場強(qiáng)Pθ為每根列饋在此方向上的場強(qiáng)矢量和。第i根列饋場強(qiáng)與第一根列饋場幅度比值由天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)功率分配網(wǎng)絡(luò)決定，相位差分為兩部分：一部分為固定相位差，另一部分為路程差引起的相位差。

ALE-9與CSL-M天線和波束均為所有陣列同相饋電，所以固定相位差取0。差波束第1至N/2左半列饋陣同相位，固定相位差取0。N/2至N右半列饋同左半列饋反相位，取固定相位差為π，中間一根列饋不參與差波束的形成。為了抑制副瓣，ALE-9 天線和CSL-M天線陣列和波束均由Taylor幅度加權(quán)形成，差波束均由修正的Bayliss幅度加權(quán)形成，兩個天線的Taylor權(quán)和修正Bayliss權(quán)如表1所示。

表1：ALE-9與CSL-M天線和差波束饋電分布

圖1，圖2為按表1幅度饋電后ALE-9與CSL-M天線和波束和差波束水平方向圖。根據(jù)饋電幅度分布，理論計算得ALE-9天線3dB波束寬帶為2.52°，10dB波束寬度為4.428°，20dB波束寬度為5.94°，第一旁瓣小于主瓣 33.115dB，差波束零值深度36.6935dB。CSL-M天線3dB波束寬帶為2.556°，10dB波束寬度為4.428°，20dB波束寬度為5.796°，第一旁瓣小于主瓣 31.40dB，差波束零值深度36.3209dB，滿足MH/T 4010-2006《空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。ALE-9與CSL-M天線兩者和波束3dB帶寬、10dB帶寬基本相等，ALE-9天線比CSL-M天線20dB帶寬寬0.145°，第一旁瓣低1.715dB，零值深度高0.372dB。同時可以看出，ALE-9天線差波束副瓣明顯比CSL-M天線差波束副瓣多，ALE-9天線和波束在很大的角度范圍內(nèi)高于差波束，CSL-M天線的差波束在±40°左右時旁瓣有很大的突起。

OBA鑒角曲線比較

OBA曲線定義為差波束對同角度和波束的歸一化曲線。用dB表示歸一化曲線，即當(dāng)前角度差波束與和波束的差值。二次監(jiān)視雷達(dá)測量目標(biāo)角度為探測到目標(biāo)時的雷達(dá)編碼器角度和OBA值對應(yīng)的偏離瞄準(zhǔn)軸的角度之和。和差兩路信號經(jīng)過鑒相器，判別目標(biāo)在天線瞄準(zhǔn)軸的方向，若目標(biāo)在雷達(dá)天線左半邊，則OBA為負(fù)值，若目標(biāo)在雷達(dá)天線右半邊，則OBA為正值。

鑒角曲線的有效值一般為和波束3dB波瓣寬度，SDR為差波束與和波束幅度之差。OBA表即在3dB波束寬度內(nèi)的角度和其對應(yīng)的SDR值。在實際應(yīng)用中比較差和波束的幅值，通過查表即可得到目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸的角度。圖3為ALE-9和CSL-M天線在-1.2°至1.2°范圍內(nèi)的SDR曲線，藍(lán)色線為對數(shù)值，紅色線為轉(zhuǎn)換過后的倍數(shù)值。依據(jù)ALE-9與CSL-M天線和差水平波束，ALE-9 天線SDR范圍為（5.605，44.631）dB， 動 態(tài) 范 圍 39.026dB，CSL-M天線SDR范圍為（2.873，41.12）dB，動態(tài)范圍為38.247dB，可以看出對于相同的 SDR，CSL-M天線能夠?qū)?yīng)的角度范圍更廣，即角度分辨率更大。

結(jié)語：

本文分析比較了ALE-9與CSL-M天線的物理和饋電結(jié)構(gòu)，通過Taylor權(quán)和修正Bayliss權(quán)繪制了和差波束水平波束圖和OBA曲線，分析比較了兩個天線和差波束的參數(shù)性能和OBA鑒角能力。文章所分析到的原理和實踐應(yīng)用，對于維護(hù)這兩類天線具有一定的指導(dǎo)和幫助意義。