一種Ku波段寬帶T型相控陣天線的設(shè)計

周云林

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

相控陣天線采用電子方法實現(xiàn)天線波束指向，具有波束快速掃描、波束形狀快速變化及空間功率合成能力，能在指定的空域內(nèi)同時搜索和跟蹤多個目標，越來越廣泛地應(yīng)用于各種雷達系統(tǒng)中[1]，在近幾十年得到迅速發(fā)展。

不過常規(guī)相控陣天線包含大量的饋電網(wǎng)絡(luò)、成千上萬的電控移相單元或T/R 組件、復(fù)雜的波束控制和電源子系統(tǒng)等設(shè)備，使得相控陣天線系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、成本高昂[2]。通常一部二維掃描的相控陣雷達約70%～80%的成本集中在天線系統(tǒng)，考慮到費效比，使得相控面陣雷達在戰(zhàn)術(shù)上的廣泛使用受到了極大的限制[3]。降低相控陣天線成本的一個有效方法是盡量減少移相單元或T/R 組件的數(shù)量。

在保證天線增益和掃描范圍滿足技術(shù)指標要求的情況下，天線單元數(shù)最少是相控陣天線優(yōu)化設(shè)計的目標之一[4]。針對上述問題，本文通過對組陣思路的改進，在相控陣雷達機械掃描和電掃描相結(jié)合工作模式下，設(shè)計了一種有限掃描的Ku 頻段的寬帶T 型相控陣天線，正交的兩個96元線陣組合為一個相控陣天線，線陣在小角度范圍內(nèi)實現(xiàn)相位掃描。在滿足掃描精度的同時，顯著減少了天線單元和移相器數(shù)量。該陣列在34%的帶寬內(nèi)，具有方位/俯仰相掃±7.5°的掃描能力。在兩個線陣合成工作模式下，信號相干合成，可以明顯增加雷達的作用距離。通過理論分析與實測結(jié)果驗證，該T 型相控陣天線具備可實現(xiàn)性，具有很高的工程應(yīng)用價值。

1 天線設(shè)計

1.1 陣列形式

T型相控陣天線主要由相同極化的一維方位線陣和一維俯仰線陣組成，如圖1所示。96元線陣小角度有限相掃情況下，在實現(xiàn)窄波束小角度掃描的同時，線陣正交方向波束覆蓋較寬。每個一維線陣波束覆蓋1°×15°空域，正交放置的兩個一維線陣掃描形成15°×15°的空域覆蓋。這樣，兩個線陣以正交雙扇形波束可同時快速掃描實現(xiàn)有限體空域監(jiān)視與目標搜索，完成對目標的精密搜索和跟蹤。相對于普通設(shè)計的M×N陣元設(shè)計，T型相控陣天線減少了陣元數(shù)量，降低系統(tǒng)造價，是一種相控陣低成本實現(xiàn)的途徑。

兩種相同極化的天線單元，一個方位面波束寬度大于15°，一個俯仰面波束寬度大于15°，天線單元的物理尺寸不相同。因此兩個天線陣列沒有相同的共用單元，即兩個陣列是兩個獨立的天線陣。陣列按“T”形排列，也避免線陣的不連續(xù)性。

當一維方位線陣與一維俯仰線陣相干合成時，天線增益增加約3dB。

1.2 T 型陣基本原理

T型陣可以從二維面陣變形而來，當面陣內(nèi)其余單元不激勵，即可形成T型陣。

以面陣方式考慮，可知面陣的遠場電場方向圖如式（1）所示：

面陣除T 型區(qū)域外的其他單元不激勵，即其他區(qū)域的Fix,iy(θ,φ) = 0，當iy= 0，ix= 1,… ,m時，F(xiàn)ix,iy(θ,φ)=F1(θ,φ)，即T 型陣的方位線陣；當ix= 0,iy= 1,…,n時，F(xiàn)ix,iy(θ,φ)=F2(θ,φ)，即T型陣的俯仰線陣。因而式（1）可轉(zhuǎn)化為如式（2）所示：

T 型陣可以分解為兩個獨立線陣，可見它是面陣的一個特殊形式，其輻射原理與面陣相同。

1.3 單元天線設(shè)計

喇叭天線因結(jié)構(gòu)簡單、帶寬寬、耐功率大、方向性高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。T 型相控陣天線采用喇叭天線作為陣列單元，如圖2 所示。根據(jù)使用要求的不同，方位陣列單元采用E 面扇形喇叭形式，俯仰陣列單元采用H 面扇形喇叭形式。兩種喇叭單元駐波仿真結(jié)果如圖3 所示，工作頻帶內(nèi)駐波小于1.7；方位喇叭單元天線、俯仰喇叭單元天線仿真方向圖分別如圖4～圖5 所示，兩種喇叭增益要求波束內(nèi)增益降基本一致。以方位喇叭為例，中頻f0增益為14 dBi，工作頻段內(nèi)，天線軸向增益大于12.6 dB；掃描面方向波束寬度大于±28°，±7.5°內(nèi)增益降小于0.23 dB；不掃描面方向波束寬度大于±10.5°，±7.5°內(nèi)增益降小于1.51 dB。因此，應(yīng)用喇叭天線作為單元天線對于提高天線陣的帶寬和增益具有非常重要的意義。

1.4 有限掃描天線柵瓣抑制

在設(shè)計相控陣天線陣列時，大間距可加大陣元間的隔離度，但隨著陣元間距的增加，柵瓣出現(xiàn)的角度越來越小，天線掃描將受到限制。當陣元間距減小，將降低柵瓣影響，甚至消除柵瓣，但同樣的區(qū)域需要更多的陣元，使得天線的造價更加昂貴[5-6]。

T 型寬帶相控陣由于采用機械掃描和電掃描相結(jié)合的方式，可以顯著降低對相位掃描角度的需求，從而有效地減小柵瓣對天線的影響。小間距布陣將降低單元天線性能，增大結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱設(shè)計難度，增加天線成本。綜合考慮單元天線性能和柵瓣影響等因素，線陣單元間距設(shè)計為0.77 λ0。高頻段波束相掃時，會出現(xiàn)柵瓣。為了抑制柵瓣影響，T 型寬帶相控陣天線采用性能優(yōu)良的喇叭天線單元，當天線掃描到±7.5°時，方向圖如圖6 所示，可將高頻柵瓣抑制到-21 dB 以下。

1.5 相干合成

一維方位線陣與一維俯仰線陣信號極化相同，當兩個線陣同時發(fā)射相同信號或者接收信號，即相干合成時，此時天線增益增加約3 dB，實現(xiàn)1°×1°合成筆狀波束，如圖7 所示。方位、俯仰陣列相干合成，天線增益提高、波束寬度減小，波束對空域的掃描需按常規(guī)兩維相控陣進行。

2 天線陣測試

經(jīng)過理論分析與設(shè)計，研制了Ku 頻段T 型相控陣天線，實物如圖8 所示。兩維喇叭線陣及其后端的T/R 組件、饋電網(wǎng)絡(luò)等均安裝于T 型腔體結(jié)構(gòu)中，整合為一個系統(tǒng)。

在微波暗室對相控陣天線進行了測試，在±7.5°內(nèi)掃描的方位線陣方位和差歸一化方向圖和俯仰面歸一化方向圖的測試值如圖9 所示。天線的法向掃描時，低、中、高三個頻點中，和波束副瓣電平小于-20 dB，差零深大于30 dB；在±7.5°波束掃描時，副瓣電平和零深略差。T 型相控陣天線法向掃描時，天線線陣增益大于30.9 dBi。俯仰線陣測試情況與方位線陣類似，在此不再贅述。相干合成的測試方向圖如圖10 所示，合成了約1°×1°的筆狀波束，測試中發(fā)現(xiàn)，筆狀波束兩邊角度受增益降低影響，幅度起伏明顯。從增益來說，相干輻射增益較線陣增益增加約3 dB，與設(shè)計吻合。

3 結(jié)論

本文介紹了一種有限掃描相控陣天線，其中包括天線的設(shè)計方案、設(shè)計思路及試驗結(jié)果。天線分為正交兩個一維線陣，成T 型組合，兩個一維線陣可以獨立工作，配合相控陣完成對有限體空域監(jiān)視與目標搜索；兩維線陣同時工作，以正交雙扇形波束可同時快速掃描，配合完成對目標的精密搜索和跟蹤。天線具有高增益、相干輻射及和差波束精密跟蹤等特點。在天線總體設(shè)計中，采用T 型陣設(shè)計思路，在保證相控陣天線掃描精度的同時，減少陣元數(shù)量，降低系統(tǒng)造價。喇叭單元采用0.77λ0間距，天線在34%的頻帶范圍內(nèi)方位/俯仰掃描±7.5°。實測結(jié)果表明，天線滿足了頻帶寬度和掃描角度的要求，不掃描時線陣增益大于30.9dB，相干合成時，天線增益增加3dB，達到了設(shè)計效果。