單脈沖無源相控陣天線研制

韓 鵬，武俊偉，何 蓉

(四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)日新月異的發(fā)展，雷達功能和性能得到很大提升。相控陣雷達天線由于波束掃描由計算機控制，天線波束在空間幾乎無慣性掃描，使相控陣雷達具有邊掃描邊跟蹤的能力，即利用時間分割技術(shù)實時跟蹤多個目標的能力。相控陣雷達天線又分為無源相控陣天線和有源相控陣天線。無源相控陣天線采用集中式發(fā)射和接收，發(fā)射和接收設(shè)備通過功分網(wǎng)絡(luò)連接移相器和輻射單元，設(shè)備量少。因此，無源相控陣天線成本低，但集中式發(fā)射會使發(fā)射功率提高受到限制。天線陣面幅度分布由功分網(wǎng)絡(luò)決定固定變化，只有相位分布變化改變波束指向。有源相控陣天線每個輻射單元后連接一個具有發(fā)射和接收功能的T/R組件。每個T/R組件發(fā)射功率大小和相位都可以改變，因此天線陣面幅度分布和相位分布都可以改變，形成的波束也更加靈活，每個T/R組件合成的發(fā)射功率也更大。但是，有源相控陣天線的缺點是成本相對較高。而在雷達處理技術(shù)中，單脈沖技術(shù)[1]可以提高雷達跟蹤精度和抗干擾能力。因此，研制成本相對較低的單脈沖無源相控陣雷達天線具有現(xiàn)實意義。

單脈沖技術(shù)能夠從一個應(yīng)答的單脈沖準確測量到達信號的方向。運用單脈沖技術(shù)的天線能夠形成如圖1所示的和波束和差波束。差波束在和波束主瓣方向形成很窄很深的零值區(qū)間，在和波束的旁瓣方向差波束要求覆蓋和波束所有旁瓣。

本文介紹了采用單脈沖體制無源相控陣天線的研制。天線同時可以形成和、差兩種波束，而且和、差兩種波束能夠同時快速、靈活地實現(xiàn)波束±45°掃描，將單脈沖技術(shù)的測量精度和相控陣天線的靈活性有效結(jié)合可以顯著提高雷達系統(tǒng)性能。文中討論了所研制單脈沖無源相控陣天線的組成及原理，滿足和波束和差波束特性而對天線口徑分布所做的優(yōu)化設(shè)計。天線輻射單元考慮互耦的設(shè)計方法、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)途徑等，通過對天線±45°不同指向和、差波束測試，表明天線口徑分布優(yōu)化設(shè)計效果良好，不同指向和、差波束都能夠滿足單脈沖技術(shù)要求。

圖1 和、差波束方向圖的細化圖形

1 陣面組成

根據(jù)雷達系統(tǒng)對天線增益和波束寬度等要求，該單脈沖無源相控陣天線水平方向采用22個輻射單元。為了保證天線波束±45°掃描不出現(xiàn)柵瓣，根據(jù)不產(chǎn)生柵瓣的計算公式：

其中，dx輻射單元間距，λmin為最高頻率對應(yīng)波長，θmax為波束最大指向，Δ=1/NP(NP是陣面中低副瓣線陣組件數(shù)量)，經(jīng)計算輻射單元水平間距為142 mm。每個輻射單元由垂直方向間距為148 mm的4個印制半波振子組成。4個印制半波振子通過一分四等功率微帶功分器饋電，輻射單元結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過鋁合金骨架支撐，外用玻璃鋼外罩保護并密封處理，滿足天線環(huán)境適應(yīng)性要求。22個輻射單元安裝在封閉的箱式大梁中。箱式大梁中安裝有天線饋電網(wǎng)絡(luò)。饋電網(wǎng)絡(luò)通過電纜與輻射單元連接，形成對22個輻射單元饋電激勵。圖2給出了該天線陣面的照片。

圖2 天線陣面照片

2 天線口分布設(shè)計

為此對天線差波束口徑的幅度分布進行改進設(shè)計。表1所示為差波束改進前后口徑幅度分布。

表1 和、差波束改進前后口徑分布

將和、差波束相同的幅度分布改進成了不同的分布，差波束在幅度泰勒分布的基礎(chǔ)上提高中心輻射單元的饋電幅度大小。改進的效果提高了差波束在和波束副瓣方向的增益，從而進一步改善了差波束覆蓋和波束副瓣的效果，避免了穿刺現(xiàn)象的發(fā)生，使和、差波束指向在±45°掃描都能滿足單脈沖處理對天線波束的要求。

圖3和圖4分別為修正前后-45°波束指向和、差波束方向圖。改進幅度分布后的差波束在和波束副瓣方向增益明顯增加，也不存在穿刺現(xiàn)象。

圖3 修正前-45°波束指向和、差方向圖

圖4 修正后-45°波束指向和、差方向圖

3 陣面設(shè)計

根據(jù)天線陣面組成，天線研制過程分為天線輻射單元研制和天線饋電網(wǎng)絡(luò)研制。

3.1 天線輻射單元設(shè)計

輻射單元由4個印制半波振子等間距排列組成。如圖5所示，4個印制半波振子通過與之連接的一分四微帶功分器實現(xiàn)等幅同相饋電，一分四微帶功分器由3個Wilkinson功分器串聯(lián)組成。圖6為Wilkinson功分器外形圖，兩個輸出端口之間焊接隔離電阻，保證輸出端口之間相互隔離，饋電單元之間相互不影響。

圖5 天線輻射單元結(jié)構(gòu)形式

圖6 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)圖

天線輻射單元完成微波信號向空間輻射，其輻射特性會受到附近環(huán)境影響。輻射單元在自由空間和天線陣面中附近的邊界環(huán)境完全不同。因此，天線輻射單元設(shè)計一定要考慮天線陣面中輻射單元之間的互耦影響。輻射單元考慮互耦影響的設(shè)計方法如下：首先根據(jù)經(jīng)典的設(shè)計原理和公式設(shè)計出自由空間輻射單元基本尺寸，然后根據(jù)HFSS等電磁仿真軟件建立天線陣面模型，在陣面中考慮輻射單元之間互耦并優(yōu)化輻射單元尺寸，最后通過加工如圖7所示的小型測試陣調(diào)試和測試輻射單元性能。小型測試陣按照天線陣面中的間距由5個輻射單元組成，中間1個輻射單元為調(diào)試和測試輻射單元，而該輻射單元兩測各2個輻射單元作為邊界條件，主要對中間輻射單元增加相應(yīng)的互耦影響。

圖7 輻射單元小陣測試

經(jīng)測試表明，在15%的帶寬內(nèi)，輻射單元在小型測試陣中端口電壓駐波比小于1.3。圖8和圖9分別為天線陣面波束指向法線和45°方向時的垂直波束方向圖，垂直波束寬度均大于18°。

圖8 波束指向法線方向垂直波束

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)研制

饋電網(wǎng)絡(luò)是天線研制的核心部分，天線和、差波束的形成，以及和、差波束各種性能都通過饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

3.2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)原理

綜上所述，系統(tǒng)性康復鍛煉可有效提高膝關(guān)節(jié)股性關(guān)節(jié)炎患者行關(guān)節(jié)鏡術(shù)后的膝關(guān)節(jié)功能及主動活動度，有效降低患者疼痛，對患者遠期療效好。

饋電網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)天線口徑分布的硬件系統(tǒng)，因此饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計依據(jù)也是天線的口徑分布數(shù)據(jù)。由于該天線改進的口徑分布使和波束與差波束幅度分布不再相同，而是和波束為泰勒分布，差波束在泰勒分布的基礎(chǔ)上只增大了中間輻射單元的饋電幅度。

圖9 波束指向45°方向垂直波束

由于和波束與差波束幅度分布不同，因此增加了饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的復雜性。圖10為饋電網(wǎng)絡(luò)原理圖。和端口輸入首先連接耦合器，耦合器2個輸出分別通過2個環(huán)形電橋，1個環(huán)形電橋直接給天線陣面中心2個輻射單元同相饋電，另1個環(huán)形電橋通過2個一分十功分器給天線陣面左右各10個輻射單元同相饋電，實現(xiàn)和端口饋電時天線陣面22個輻射單元幅度分布按泰勒分布，相位同相分布。

圖10 天線饋電原理圖

差端口輸入首先連接一分二功分器。一分二功分器2個輸出分別通過2個環(huán)形電橋，1個環(huán)形電橋直接給天線陣面中心2個輻射單元反相饋電，另1個環(huán)形電橋通過2個一分十功分器給天線陣面左右各10個輻射單元同反相饋電，實現(xiàn)差端口饋電時天線陣面22個輻射單元幅度分布與泰勒分布有所不同，天線陣面左右各11個輻射單元相位相反。

在饋電網(wǎng)絡(luò)22個輸出端分別連接22個4位數(shù)字移相器，通過控制系統(tǒng)控制22個數(shù)字移相器輸出相位變化，控制和、差波束在±45°范圍實現(xiàn)快速掃描。

3.2.2 功分器電路設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)中的功分器包含2種功分器，一種是如圖11所示的一分二功分器，一種是如圖12所示的一分十功分器，都是通過微帶線Wilkinson功分器實現(xiàn)。Wilkinson功分器輸出端口之間有隔離電阻，一分十功分器由9個Wilkinson功分器級聯(lián)形成，通過調(diào)節(jié)微帶線長度使各輸出端相位相同。

圖11 一分二功分器電路圖

圖12 一分十功分器電路圖

經(jīng)測試表明，在15%的帶寬內(nèi)，功分器各端口電壓駐波比均控制在小于1.3，各端口幅度輸出較理論分布起伏在±0.25 dB以內(nèi)，相位分布起伏在±3°以內(nèi)。

3.2.3 耦合器電路設(shè)計

圖13 耦合器電路圖

該耦合器通過印制板兩面的微帶線位置交錯實現(xiàn)功率耦合，通過調(diào)節(jié)兩段微帶線交錯面大小改變耦合器的耦合度。經(jīng)測試表明，在15%的帶寬內(nèi)，耦合器各端口電壓駐波比均控制在小于1.3，耦合度起伏在±0.25 dB以內(nèi)，隔離端口的隔離度小于-28 dB。

3.2.4 環(huán)形電路設(shè)計

環(huán)形電橋又稱和差器，有2個輸入端口分別為和端口和差端口，2個輸出端口。圖14為環(huán)形電橋電路圖。和端口輸入時，由于和端口到達2個輸出端口微帶線長度相等，所以2個輸出端口輸出功率相等，相位相同；而差端口輸入時，由于差端口到達2個輸出端口微帶線長度相差λ/2，所以2個輸出端口輸出功率相等，相位相反。

圖14 環(huán)形電橋電路圖

經(jīng)測試表明，在15%的帶寬內(nèi)，環(huán)形電橋各端口電壓駐波比均小于1.3，輸出幅度起伏在±0.25 dB以內(nèi)，相位起伏在±3°以內(nèi)。

3.2.5 數(shù)字移相器電路設(shè)計

天線波束掃描主要通過移相器改變相位分布形成，因此移相器對相控陣天線整體性能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該天線采用4位數(shù)字移相器。該移相器具有體積小、質(zhì)量輕、損耗小、成本低且響應(yīng)速度快、控制電路簡單等特點。

圖15和圖16分別為數(shù)字移相器原理框圖和印制板電路圖。移相器通過開關(guān)切換不同長度微帶線控制移相位。4位數(shù)字移相器包含180°、90°、45°、22.5°移相位，通過控制電路控制各移相位通斷，使移相器相位在0°～360°以22.5°為步長離散變化。

圖15 數(shù)字移相器原理框圖

圖16 數(shù)字移相器外形圖

為節(jié)省數(shù)字移相器位數(shù)，同時保證所需要的小的波束躍度，該數(shù)字移相器采用了“虛位技術(shù)”(phantom-bit technique)[3]。虛位技術(shù)原理是：當計算移相器所需的移相值時，按K位進行計算，而實際移相器只有(K-b)位，其中b為被舍去的位數(shù)。本文中每一路采用了4位數(shù)字移相器，但計算每一路移相器移相值時取K=8，即按8位移相器計算波束掃描時每一路移相器的移相值，而實際應(yīng)用中將后4位虛擬的移相值舍去。

該相控陣天線采用了4位移相器，4位移相器波束躍度為5°左右。而由于設(shè)計中采用了移相器的虛位技術(shù)，波束躍度達到1°左右，使4位移相器達到了8位移相器的波束指向效果，并且損耗比8位移相器低1 dB左右，不但提高了天線增益，而且使天線成本大大降低。

經(jīng)測試表明，在15%的帶寬內(nèi)，數(shù)字移相器端口電壓駐波比均小于1.35；插入損耗小于1.5 dB；中心頻點移相精度：22.5°位≤±1°，45°位≤±2°,其余≤±3°；響應(yīng)時間：<1 μs。

4 測試及分析

該相控陣天線完成研制后，在微波暗室通過平面近場法對天線方向圖進行了測試。圖17為天線平面近場測試原理圖。將天線架設(shè)在測試支架上，測試過程中天線陣面與采樣探頭距離取3～5個波長，掃描范圍按照水平面±60°左右、垂直平面±45°左右的截斷角截取，通過波控器控制天線和、差波束不同指向，分別測試每個指向的和、差波束方向圖。

圖17 天線平面近場測試示意圖

天線主要測試了波束掃描±45°范圍內(nèi)波束指向0°、±30°、±45°和、差波束方向圖。圖18～圖20分別為測試的和、差方向圖。測試結(jié)果中，波束指向0°時和波束副瓣電平小于-30 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于15 dB；波束指向-30°時和波束副瓣電平小于-30 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于15 dB；波束指向-45°時和波束副瓣電平小于-22 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于8 dB，天線性能滿足要求。測試結(jié)果也說明了對天線口徑幅度分布改進的有效性。

圖18 波束指向0°和、差波束

圖19 波束指向30°和、差波束

5 結(jié)束語

本文介紹了單脈沖無源相控陣天線研制過程，從天線口徑分布優(yōu)化設(shè)計到饋電網(wǎng)絡(luò)研制過程都作了比較詳細的分析。測試結(jié)果表明，所研制的單脈沖無源相控陣天線性能優(yōu)良，說明了對天線口徑分布優(yōu)化設(shè)計方法的有效性，對相關(guān)天線研制都具有借鑒作用。

圖20 波束指向45°和、差波束