一種數(shù)字相控陣天線陣面的研制

蔡 瀟,樊 品,尚玉璽

(1.海裝上海局,上海 201300;2.南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,南京 210038)

0 引 言

數(shù)字相控陣天線陣面由于其波束和調(diào)度的靈活性而備受重視。使用要求、環(huán)境、場(chǎng)景不同,對(duì)數(shù)字相控陣天線陣面的研制要求也不同。本文研制的兩維數(shù)字相控天線陣面要求采用水平極化,方位和俯仰最大掃描分別為60°、30°。為了降低天線方位掃描到極限時(shí)增益下降過(guò)快,水平共線陣子水平方向圖進(jìn)行了展寬,因此兩維互耦都比較嚴(yán)重,天線副瓣更難控制。

針對(duì)上述要求,本文提出一種研制方法:通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),合理劃分子陣,改善輻射單元形式和輻射電流,有效解決了水平共線陣子雙向大掃描角互耦強(qiáng)、大掃描角增益下降過(guò)快和天線掃描低副瓣等問(wèn)題;通過(guò)復(fù)合設(shè)計(jì)輻射單元和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò),解決了低副瓣天線要求的幅相剩余誤差問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試,按照本文方法研制的天線陣面滿足總體使用要求。

1 天線性能計(jì)算

1.1 天線掃描間距

首先根據(jù)天線的陣面傾角、整機(jī)要求的空域覆蓋,完成大地坐標(biāo)系到天線正弦坐標(biāo)系的變換,然后根據(jù)式(1)計(jì)算柵瓣單位圓與波束掃描空域位置圖[1],如圖1所示。根據(jù)面積最大法,同時(shí)考慮天線波束寬度擇優(yōu)選出天線的單元間距,設(shè)計(jì)采用三角柵格,以便降低互耦和節(jié)約成本。

圖1 柵瓣單位圓與波束掃描空域圖

αx=cosEsinA

αy=sinEcosT-cosEsinTcosA

(1)

其中:αx和αy分別為正弦空間平面的X和Y軸;E為俯仰最大覆蓋角;A為方位掃描角;T為陣面傾角。

1.2 天線性能理論

根據(jù)整機(jī)使用,天線選擇水平極化,同時(shí)根據(jù)天線的副瓣電平、波瓣寬度、方向性系數(shù)[2]等要求,確定天線陣面的布局、邊界、單元形式、天線口徑和電流分配形式,然后利用下式計(jì)算天線的輻射波瓣圖:

(2)

1.3 全空域搜索天線掃描角

天線采用水平極化,水平掃描角度比較大,雙向互耦均比較強(qiáng),如果輸入阻抗在波束掃描過(guò)程中發(fā)生巨大變化,將導(dǎo)致陣列與收發(fā)之間嚴(yán)重失配,大的反射系數(shù)將使發(fā)射的頻率漂移,或者使陣列在某些掃描空域出現(xiàn)盲點(diǎn),既不輻射,也收不到能量。因此須計(jì)算出全空域搜索的各個(gè)掃描角,然后對(duì)其天線阻抗進(jìn)行計(jì)算和匹配。

首先根據(jù)系統(tǒng)給出的方位最大掃描范圍和仰角最大覆蓋,計(jì)算出探測(cè)空域輪廓,然后進(jìn)行波位排布。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描,相控陣天線波束會(huì)隨著掃描角(即偏離陣面法線的夾角)的變大而展寬,波束形狀也會(huì)改變,波束排列不均勻,同時(shí)波束在空間中的跳變存在最小波束躍度,按照系統(tǒng)坐標(biāo)系進(jìn)行波位編排會(huì)非常復(fù)雜,而采用正弦坐標(biāo)系則比較簡(jiǎn)單[3]。同時(shí),對(duì)于給定的搜索監(jiān)視空域,波位位置除了與波束性能有關(guān)以外,還與波位排列方式密切相關(guān)。此次設(shè)計(jì)的天線波束在陣面上的投影為一橢圓,橢圓率比較大,探測(cè)不能出現(xiàn)漏情現(xiàn)象,如果采用列狀波束或交錯(cuò)波束都會(huì)出現(xiàn)漏情。因此采用低損耗波位編排,但仰角高的地方適當(dāng)放寬,采用5 dB進(jìn)行交錯(cuò)重疊覆蓋,收發(fā)波位的排布如圖2和圖3所示。根據(jù)各波位的中心坐標(biāo),反算出天線陣面的各種掃描角,同時(shí)也可生成天線的波控碼。

圖2 按照最低損耗排列接收波位的位置

圖3 按照最低損耗排列發(fā)射波位的位置

1.4 天線匹配性能

根據(jù)計(jì)算出的天線掃描角進(jìn)一步計(jì)算天線不同頻率、不同掃描角的輸入阻抗。天線陣面振子采用偶極子形式,采用矩量法[4]計(jì)算天線振子的互耦和電流:

(3)

(4)

其中:基函數(shù)

s=1,2,…,M,t=1,2,…,N,m=1,2,…,ND-1

p=1,2,…,M,q=1,2,…,N,n=1,2,…,ND-1

式(3)可以簡(jiǎn)寫(xiě)為

(5)

阻抗矩陣和電壓矩陣中的元素是已知的,解此線性方程組就可得到陣列中各振子分段節(jié)點(diǎn)處的電流值,從而確定各振子上的電流分布。如式(6),由各振子中點(diǎn)的電流值與饋電電壓的比值就可確定其輸入阻抗,根據(jù)輸入阻抗即可求出有源匹配:

(6)

陣面中間和邊緣天線振子各種掃描情況下的匹配實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 陣面中間天線單元不同頻率、不同掃描角的有源駐波實(shí)測(cè)結(jié)果

1.5 子陣劃分和數(shù)字波束形成

考慮到成本和陣面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,天線采用子陣形式進(jìn)行數(shù)字化[5],子陣大小須綜合考慮系統(tǒng)的瞬時(shí)工作帶寬以及量化對(duì)多波束、差波束的副瓣性能影響,并理論計(jì)算驗(yàn)證是否滿足要求。天線方向圖分解成子陣陣因子F1(θ,φ)和子陣方向圖F2(θ,φ),根據(jù)陣列方向圖理論,利用下式計(jì)算天線方向圖:

(7)

改變子陣的輸入幅度和相位,即可實(shí)現(xiàn)和、方位差、俯仰差波束和數(shù)字多波束。矩形陣列由M1(Y向)×N1(X向)個(gè)子陣組成,每個(gè)子陣由K1(Y向)×K2(X向)個(gè)天線單元組成,主波束指向(θ0,φ0)。圖6為天線陣面數(shù)字波束形成框架圖,圖7為子陣數(shù)字化的方位和差波束理論計(jì)算方向圖。

圖6 天線陣面數(shù)字波束形成框架圖

圖7 天線陣面和差水平方向圖

2 天線輻射單元設(shè)計(jì)

天線輻射單元的設(shè)計(jì)須滿足如下要求:

1)頻率范圍;

2)天線輻射單元的極化形式;

3)陣中天線輻射單元的無(wú)源駐波ρ≤1.4;

4)陣中天線輻射單元E面方向圖60°時(shí)單元增益下降不超過(guò)3.0 dB,垂H面方向圖30°時(shí)單元增益下降不超過(guò)2.0 dB。

天線輻射單元采用印刷陣子設(shè)計(jì),采取去耦和展寬波束,其模型如圖8所示。圖9為陣中天線單元無(wú)源駐波,圖10為陣中天線單元E面和H面的方向圖。

圖8 單個(gè)輻射單元的設(shè)計(jì)模型

圖9 陣中單個(gè)輻射單元的無(wú)源駐波

圖10 陣中單個(gè)輻射單元E面和H面的方向圖

3 天線輻射單元與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)對(duì)天線副瓣、差波束的零深要求不斷提高,除了合理選擇幅相加權(quán)函數(shù)、控制好互耦外,還要嚴(yán)格控制口徑的幅相誤差,幅相誤差包括量化誤差、制造誤差、裝配誤差、有源通道微波器件不一致性和穩(wěn)定性誤差,因此須對(duì)系統(tǒng)中的發(fā)射通道、接收通道進(jìn)行幅頻、相頻誤差測(cè)量。

研制的低副瓣天線首先在微波暗室用測(cè)試探頭進(jìn)行外校準(zhǔn),并作幅度、相位補(bǔ)償至可接受的配平狀態(tài),同時(shí)保存內(nèi)外校準(zhǔn)配平前采集的收發(fā)幅相數(shù)據(jù),作為后期校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。本設(shè)計(jì)將內(nèi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)放在天線上,盡量靠近天線輻射單元,復(fù)合設(shè)計(jì)天線輻射單元和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),消除天線與后端不匹配帶來(lái)的輸入電流的幅相誤差,以提高幅相誤差補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性。輻射單元與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合設(shè)計(jì)布置如圖11、12所示,圖13為天線陣面校準(zhǔn)信號(hào)流程,圖14、15為天線陣面校準(zhǔn)后的相位剩余誤差和幅度剩余誤差。

圖11 輻射單元與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合設(shè)計(jì)的正面布置圖

圖12 輻射單元與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合設(shè)計(jì)的背面布置圖

圖13 整個(gè)天線陣面收發(fā)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)圖

圖14 整個(gè)天線陣面校準(zhǔn)后的相位誤差圖

圖15 整個(gè)天線陣面校準(zhǔn)后的幅度誤差圖

4 研制與測(cè)試

天線陣面如圖16所示。在微波暗室完成天線方向圖測(cè)試,圖17、18分別為接收狀態(tài)下不同掃描情況的方位方向圖和俯仰方向圖,圖19為接收狀態(tài)下的方位和差方向圖,圖20為發(fā)射狀態(tài)下俯仰的展寬波瓣圖。從圖17可以看出:當(dāng)天線方位掃描到60°時(shí),天線增益相比法線增益下降不超過(guò)4 dB,天線副瓣不超過(guò)-32 dB,滿足總體使用要求。

圖16 天線陣面

圖17 接收狀態(tài)下法線、掃描±30°和±60°的

圖18 接收狀態(tài)下法線、掃描30°的俯仰波瓣圖

圖19 接收狀態(tài)下方位和差波瓣圖

圖20 發(fā)射狀態(tài)下俯仰法線、掃描16°和30°的展寬波瓣圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研制子陣化的數(shù)字相控陣天線陣面,驗(yàn)證了數(shù)字化子陣大小劃分、天線間距、布局設(shè)計(jì)的合理性,采取距量法分析電流,采取去耦、展寬單元波瓣、陣面校準(zhǔn)技術(shù)保證控制大掃描角情況下天線高增益、低副瓣性能的可行性,對(duì)類似天線陣面研制有一定的參考意義。