毫米波多功能有源相控陣天線設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

楊亞兵 程 杰 李緒平 姜世波

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某型毫米波有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用方位±45°寬角相掃、兩維單脈沖體制，技術(shù)體制先進(jìn)、性能要求很高。除滿足雷達(dá)功能外，該系統(tǒng)兼具詢問機(jī)、主動偵查與干擾等功能，是一部典型的毫米波多功能電子系統(tǒng)。

該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于有源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計［1］相控陣天線的設(shè)計性能。因此，為實(shí)現(xiàn)多功能、集成化設(shè)計要求并滿足技術(shù)指標(biāo)，必須綜合考慮各種設(shè)計要素對有源相控陣天線波導(dǎo)縫隙天線由于具有低損耗、高效率、口徑分布易控制，便于實(shí)現(xiàn)低副瓣以及結(jié)構(gòu)緊湊可靠等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于微波與毫米波雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信導(dǎo)航等電子系統(tǒng)，是一種常用的天線形式［2-3］。然而，該毫米波有源相控陣天線系統(tǒng)的相對工作帶寬約12 ﹪(f0±2GHz)，若采用常規(guī)的矩形波導(dǎo)駐波陣很難滿足帶寬要求，并且由于其波導(dǎo)寬度尺寸的限制，也不利于相控陣天線大角度相掃特性的實(shí)現(xiàn)。

基于此，綜合考慮工作帶寬、極化方式、增益、方位面相掃體制以及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、對外電氣接口等方面的要求，俯仰維采用單脊波導(dǎo)寬邊縫隙［4，5］形式設(shè)計線陣元，并以此線陣元在方位維組陣進(jìn)而得到整個天線輻射陣面。對于有源相控陣天線系統(tǒng)的設(shè)計，運(yùn)用集成一體化設(shè)計思路，在電氣與結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證整個系統(tǒng)有機(jī)整合。樣機(jī)實(shí)測結(jié)果表明，設(shè)計的毫米波多功能有源相控陣天線系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠，進(jìn)一步證實(shí)提出的實(shí)現(xiàn)方案合理可行。

1 天線系統(tǒng)設(shè)計

毫米波有源相控陣天線的設(shè)計需要綜合考慮工作帶寬、輻射效率和副瓣電平等電氣性能，以及可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等多方因素的限制，從輻射陣面、T/R 組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)集成等方面尋求最優(yōu)化設(shè)計。

1.1 系統(tǒng)組成與功能

如圖1所示，有源相控陣天線系統(tǒng)主要由天線輻射陣面、T/R 組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、檢測校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、波控機(jī)、DC-DC 二次電源、集成安裝框架和散熱機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 相控陣天線系統(tǒng)組成示意圖

發(fā)射模式下，毫米波信號由頻綜輸出，經(jīng)預(yù)功率放大器放大后，產(chǎn)生T/R 組件所需要的激勵功率，通過和口由饋電網(wǎng)絡(luò)分配后輸出給T/R 組件。T/R組件將大功率信號送至輻射陣面，向自由空間輻射。接收模式下，空間信號經(jīng)過天線陣面接收后，送至T/R 組件放大鏈路放大，經(jīng)過饋電網(wǎng)絡(luò)合成后經(jīng)和口、俯仰差口、方位差口送至接收機(jī)。以此，完成雷達(dá)和敵我識別詢問機(jī)的功能。此外，該天線系統(tǒng)具有主動偵查與干擾功能，接收照射到天線孔徑上的非合作雷達(dá)信號，并將產(chǎn)生的有源干擾信號發(fā)射到指定空域中。

1.2 輻射陣面設(shè)計

有源相控陣天線線陣元的輻射波導(dǎo)和饋電波導(dǎo)均選為單脊波導(dǎo)形式，如圖2所示。這主要是因?yàn)榧共▽?dǎo)的截止波長較同尺寸的矩形波導(dǎo)大，即脊波導(dǎo)的單模工作帶寬要大于同尺寸的矩形波導(dǎo)。同時，脊波導(dǎo)的尺寸遠(yuǎn)小于相同工作頻率下的矩形波導(dǎo)尺寸，利于方位面大角度掃描特性的實(shí)現(xiàn)。

圖2 單脊波導(dǎo)及寬邊縱縫示意圖

天線陣面采用矩形網(wǎng)絡(luò)布局，陣面規(guī)模為24 ×56。整個天線共有56 個線陣單元和112 個T/R 組件，線陣單元沿方位(E 面)以5mm 等間距排列，組成整個天線陣面。

為了實(shí)現(xiàn)兩維單脈沖功能，需要將整個陣面等分成四個子面陣，即四個象限。每個象限內(nèi)部的線陣單元先通過T/R 組件模塊進(jìn)行初級合成，再通過功率分配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)次級功率合成，最后通過單脈沖網(wǎng)絡(luò)組合在一起，實(shí)現(xiàn)方位、俯仰兩維單脈沖功能。

1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)除了作為T/R 組件前級的激勵網(wǎng)絡(luò)外，還應(yīng)具有單脈沖功能。它由四個功率分配網(wǎng)絡(luò)、一個單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)以及出口轉(zhuǎn)換波導(dǎo)組成。所需設(shè)計的功分饋電網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模為28 路合成。在每個象限內(nèi)部先將與T/R 組件模塊激勵口連接的7 路合成為一路，在將四個象限合成的四路與單脈沖網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩維單脈沖功能。為了將相控陣天線系統(tǒng)對外電氣接口(和口、方位差口以及俯仰差口)置于指定位置，以與其他分系統(tǒng)電氣連接，還需要出口轉(zhuǎn)換波導(dǎo)。

由于物理尺寸、加工、裝配關(guān)系的限制，饋電網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計成平面結(jié)構(gòu)形式，并且要求合理布局，進(jìn)行小型化設(shè)計。圖3 為饋電網(wǎng)絡(luò)仿真圖。

圖3 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 寬帶共口徑天線設(shè)計

由于要滿足雷達(dá)、詢問機(jī)以及主動偵查與干擾功能需求，天線共口徑寬帶化設(shè)計是需要著力解決的關(guān)鍵問題。脊波導(dǎo)線陣元輻射縫隙采用駐波子陣形式，合理劃分子陣可以展寬阻抗帶寬。子陣饋電網(wǎng)絡(luò)采用并聯(lián)饋電形式，利于寬帶實(shí)現(xiàn)。設(shè)計中，子陣劃分的原則是:并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)每一級T 型不等幅功分器功分比不能過大。

圖4 線陣元結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)上述思路，具體的線陣縫隙單元布局及子陣劃分如圖4所示，可見每一側(cè)劃分為四個子陣，縫隙數(shù)分別為4、3、3、2，通過兩級T 型不等幅功分器可完成合成。

2.2 檢測校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

檢測校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與整個無源天線陣面集成設(shè)計。采用的耦合方式為單孔耦合，即在主波導(dǎo)寬邊上開適當(dāng)尺寸的圓孔，與主波導(dǎo)位置相正交的耦合波導(dǎo)通過該圓孔進(jìn)行能量耦合。為了不影響陣面性能、不增加整陣厚度等，主波導(dǎo)選為陣面天線單元饋電網(wǎng)絡(luò)最后一級合成出口的單脊波導(dǎo)，如圖5所示。

圖5 單孔耦合方式示意圖

2.3 主動偵查賦形波束設(shè)計

為了滿足主動偵查要求的90°寬波束方位面覆蓋能力，基于非線性最優(yōu)化方法—遺傳算法，采用僅相位加權(quán)為主、幅度加權(quán)為輔的方法，對天線方位面波束進(jìn)行展寬。優(yōu)化過程中，選擇適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)度函數(shù)，對主瓣展寬倍數(shù)、副瓣電平等加以約束，且將移相器量化誤差考慮在內(nèi)。這樣的方法，并不增加系統(tǒng)硬件成本以及復(fù)雜度，僅僅是通過軟件層面改變波控碼來控制天線口徑幅相分布，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形展寬。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

在方案設(shè)計、理論分析與仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上，加工了該有源相控陣天線系統(tǒng)的無源部件，圖6 為輻射陣面實(shí)物圖。

圖6 天線輻射陣面實(shí)物圖

相控陣天線系統(tǒng)各有源無源部件齊套，經(jīng)裝配、調(diào)試以及口面場校準(zhǔn)后，進(jìn)行遠(yuǎn)場性能驗(yàn)證。為了保證足夠威力，發(fā)射狀態(tài)有源相控陣天線各通道功率飽和輸出。通過對雷達(dá)、詢問機(jī)、主動干擾各功能發(fā)射方向圖測試可見，總體上發(fā)射方向圖掃描特性良好，大角度掃描沒有出現(xiàn)不期望的方向圖變形、甚至性能惡化。但是，當(dāng)詢問機(jī)天線波束掃描到±45°時，增益較零指向下降約6dB。這主要是因?yàn)樵儐枡C(jī)工作頻率在有源系統(tǒng)頻率高端，此時T/R 組件有源器件特性不理想，并且輻射陣面通道有源匹配性能較差造成能量反射。

接收狀態(tài)有源饋電網(wǎng)絡(luò)可幅相同時加權(quán)，幅度加權(quán)可降低副瓣，工程實(shí)現(xiàn)采用Taylor 錐削分布。圖8 是接收狀態(tài)下，方位副瓣理論設(shè)計32dB 時雷達(dá)、詢問機(jī)中頻和波束方向圖實(shí)測結(jié)果。由于各有源通道幅相誤差的影響，實(shí)測方向圖副瓣電平與理論值有所偏差。盡管這樣，雷達(dá)零指向方向圖副瓣電平達(dá)到了-30dB，即使在寬角掃描時副瓣電平也能優(yōu)于-26dB。

圖7 方位面發(fā)射掃描方向圖

主動偵查中心頻率方位方向圖如圖9所示，可見90°角域波束平頂波動6dB，達(dá)到玻束賦形的目的。

4 結(jié)論

研制毫米波多功能有源相控陣天線系統(tǒng)對于某型雷達(dá)技術(shù)性能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。結(jié)合研制要求，本文提出了該相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案，對其從系統(tǒng)組成、工作原理等方面進(jìn)行了闡述，并對涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。基于單脊波導(dǎo)寬邊縫隙陣形式，合理設(shè)計輻射陣面布局。電氣與結(jié)構(gòu)設(shè)計運(yùn)用集成化設(shè)計思路，優(yōu)化相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的多功能有源相控陣天線系統(tǒng)具有優(yōu)良電氣與結(jié)構(gòu)特性，可以滿總體技術(shù)要求。

圖8 方位面接收掃描方向圖

圖9 主動偵查方向圖實(shí)測結(jié)果

［1］孫慧峰，鄧云凱，雷宏.一種C 波段寬帶二維掃描固態(tài)有源相控陣天線設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2012，(2):282-287.

［2］丁曉磊，徐磊.寬頻帶高效率平板縫隙天線的研究［J］.遙測遙控.2009，(5):42-48.

［3］Sembia.Waveguide Slot Array Antenna Designs for Low Average Sidelobe Specifications［J］.IEEE antennas and Prop.2010，52(6):89-98.

［4］W.Wang，S.-S.Zhong.A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propa.2006，54(8):2416-2420.

［5］金劍，汪偉，萬笑梅.寬帶單脊波導(dǎo)縫隙天線陣設(shè)計［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報.2007(2):152-154.