一種連續(xù)波相控陣天線的設計

陳 爽，李彥文

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225101)

0 引 言

自20世紀30年代以來，連續(xù)波雷達一直是個熱門話題。在近程雷達系統(tǒng)中，連續(xù)波雷達比脈沖波雷達具有明顯的優(yōu)點，例如體積小、重量輕、發(fā)射功率較小，因此具有抗偵察與抗干擾的能力[1]。然而雷達的收發(fā)隔離問題是雷達工程實踐中的一個重要問題[24]。大功率連續(xù)波雷達，同時發(fā)同時收，不解決收發(fā)隔離問題，也就無法繼續(xù)對目標進行跟蹤。收發(fā)隔離不好，輕則降低接收機的實際靈敏度，減小作用距離；重則導致接收機飽和，無法跟蹤目標。因此，本文在設計一個連續(xù)波雷達的基礎上，對收發(fā)隔離進行了探討。

1 雷達收發(fā)隔離分析

解決收發(fā)隔離的方法一般有[2]頻率隔離、時間隔離、極化隔離和空間隔離等等。其中的頻率隔離如大功率的通信機和衛(wèi)星通信站，它們的收發(fā)采用不同的頻率，便可圓滿地解決收發(fā)隔離問題；但這不適用于連續(xù)波測速雷達，因為多普勒頻率只有幾十千赫茲到幾兆赫茲，收發(fā)信號頻率間隔太小。

對時間隔離來說，脈沖雷達就是一個典型的例子，脈沖雷達從工作原理上就要求發(fā)射和接收在不同的時間里進行，它所要解決的問題只是在發(fā)射的極短時間里不要泄漏過多的功率，以免燒毀接收機或妨害對近距離目標信號的接收；在實際應用中由于天線存在交叉極化，極化隔離方法效果也不是很明顯。

增大收發(fā)天線間距可以明顯提高收發(fā)隔離，間距增大一倍，隔離度可提高6 dB。但是增大收發(fā)天線間的距離將受到空間位置的限制，例如飛機、軍艦上的雷達，兩天線容許的距離只不過十幾米或幾十米。天線間加吸收性隔離板對側向輻射進行吸收，這種隔離措施使2個天線間的電磁波不能直視傳輸，因而隔離效果十分顯著。

2 仿真與設計

設計要求：設計一個天線陣面，由發(fā)射陣面、接收陣面、隔離帶等組成，工作頻率Ku波段，示意如圖1所示。

圖1 天線布局示意圖

其中，發(fā)射天線陣列天線規(guī)模如下：共4行×52列。發(fā)射天線陣方位±45°相掃。接收天線陣列天線規(guī)模如下：共8行×52列。接收天線陣方位±45°相掃，收發(fā)隔離度≥75 d B。

2.1 天線陣元

選用印刷陣子天線作為陣元。其模型如圖2所示。

圖2 陣元模型

仿真的單元駐波及方向圖如圖3、圖4所示。

圖3 陣元駐波

從圖3中可以看出，該陣元形式方向圖對稱，陣元的駐波1.14，頻率特性在帶寬內的一致性穩(wěn)定，增益達到6.05 dB。選用本形式陣元作為天線陣的陣元。

圖4 陣元仿真E、H面方向圖

2.2 天線線陣設計和驗證

2.2.1 5×5陣列

為驗證單元在陣中的性能，建立一個5×5的陣列，并觀察陣中單元的特性。建模如圖5所示，陣中單元駐波如圖6所示，方向圖及與周圍陣元的互耦度如圖7、圖8所示。

圖5 5×5陣列

圖6 陣中單元駐波

由上面的仿真結果可以看出，陣元在5×5陣列中滿足駐波1.4 以下，H面方向圖波束寬度大于100°，滿足掃描±45°要求。

2.2.2發(fā)射陣

將俯仰4個單元用一個一分四功分器相連，并建立4×52元陣列，建立模型如圖9所示。

圖7 陣中單元H面方向圖

圖8 陣中單元與周圍陣元的耦合度

圖9 發(fā)射陣列

分別對這2個模型進行仿真，觀察E面及H面方向圖。仿真結果如圖10、圖11所示。

圖10 H面方向圖

由以上仿真結果可以看出，發(fā)射陣方位面在全頻帶上滿足波束寬度2°±0.1°，俯仰面在全頻帶上滿足波束寬度20°±1°。

圖11 E面方向圖

2.2.3接收陣

建立接收陣列8×52元陣，如圖12所示。并對此模型進行仿真，觀察E面及H面方向圖。

圖12 接收天線陣列

仿真結果如圖13、圖14所示。

圖13 H面方向圖

圖14 E面方向圖

由以上仿真結果可以看出，接收陣方位面在全頻帶上滿足波束寬度2.8°±0.2°，俯仰面在全頻帶上滿足波束寬度8°±0.5°。

2.3 隔離板的選擇

將發(fā)射陣列與接收陣列放置在一個平面上，上表面平齊，建立模型如圖15所示。

圖15 連續(xù)波陣列

經(jīng)仿真得到的2個陣列隔離度如圖16所示，可以看出，在未加隔離板的情況下，發(fā)射陣列與接收陣列隔離度為-50 dB。參考以往隔離措施，由于連續(xù)波雷達無法采用脈沖雷達的時間隔離措施，且根據(jù)接收發(fā)射要求無法利用極化隔離，故選用平面金屬板進行空間電磁波隔離，阻斷電磁耦合通道，必要時涂覆錫鉑紙應可增加效果。

圖16 未加隔離板的陣列隔離度

首先，采用單層金屬板作為隔離板，在2個陣列中心位置放置一塊金屬板，高度約1.5λL，建立模型如圖17所示。

圖17 加單層隔離板的連續(xù)波陣列

由仿真結果(圖18)可以看出，加上單層隔離板之后，2個陣列的隔離度由50 d B 增至65 d B，但仍然不能滿足實際需要。

圖18 加單塊隔離板的陣列隔離度

將單塊隔離板加至2塊隔離板，又叫U型隔離板。2塊板間距約為1.8λL，高度約為1.5λL，建立模型如圖19所示，仿真結果如圖20所示。

圖19 U 型隔離板的連續(xù)波陣列

圖20 U 型隔離板與單塊和不加隔離板的陣列隔離度

可以看出，加上U 型隔離板之后，2個陣面的隔離度在全頻帶上大于75 dB。

在隔離板上進行開槽處理，可以使電磁波的繞射距離變長，衰減更多，從而達到提高隔離度的目的。由此建立模型如圖21所示，在U型板上等間距、等深度地開槽，槽面向內，平面向天線。

仿真結果如圖22所示，從中可以看出，在U型板上進行開槽處理后，收發(fā)隔離度提升至90 dB以上。

圖21 開槽U 型板的連續(xù)波陣列

圖22 開槽U 型板與上述隔離板的隔離度

3 測試結果

經(jīng)過實際加工調試，天線性能測試如下所述。

陣中單元方位方向圖如圖23所示。

圖23 陣中單元方位方向圖

測試結果滿足±45°掃描范圍要求。

發(fā)射陣列的方位方向圖如圖24所示。

圖24 發(fā)射陣列方位方向圖

接收陣列的方位方向圖如圖25所示。

圖25 接收陣列方位方向圖

測試結果滿足指標要求。

收發(fā)隔離度如圖26所示。

圖26 隔離度測試圖

頻帶內的隔離度達到了-78.0 dB，滿足指標要求。

4 結束語

本文提出了一種開槽U型隔離板。從連續(xù)波雷達收發(fā)隔離的基本理論出發(fā)，構建了帶有開槽U型隔離板的12×52元陣列。測試結果表明，該陣列可以在設計頻段上實現(xiàn)寬角掃描、高隔離度等優(yōu)異性能。