低成本風(fēng)廓線雷達(dá)相控陣天線設(shè)計

王永華 趙迎超

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，災(zāi)害性氣象影響巨大，對其進(jìn)行監(jiān)測是非常必要的，風(fēng)廓線雷達(dá)是近年重點(diǎn)發(fā)展的一種氣象監(jiān)測雷達(dá)［1］所示，它利用大氣湍流對電磁波的散射作用，對大氣風(fēng)場等物理量進(jìn)行探測，主要用于高空大氣風(fēng)廓線的監(jiān)測。風(fēng)廓線雷達(dá)天線經(jīng)歷了從反射面天線到相控陣天線的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)對大氣風(fēng)廓線變化的快速監(jiān)測［2］?，F(xiàn)代風(fēng)廓線雷達(dá)相控陣天線波束掃描要求，在兩個相互正交的方向上和鉛垂方向?qū)Υ髿怙L(fēng)廓線進(jìn)行測量，鉛垂波束與偏離波束的交角為16°，天線波束效果如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)廓線天線波束掃描特性，一般要求(無源或有源)采用分布式饋電來實(shí)現(xiàn)陣列波束掃描，每個輻射單元(或線陣)都連接一個移相器(或T/R組件)，天線陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。本文通過開關(guān)、移相器、功分器相結(jié)合，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單，低成本的相控陣天線波束控制網(wǎng)絡(luò)［3］;同時天線線陣采用微帶駐波陣形式［4-5］，簡化了輻射單元間連接結(jié)構(gòu)，兩種方法相結(jié)合降低了風(fēng)廓線雷達(dá)天線成本與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

1 風(fēng)廓線天線設(shè)計

風(fēng)廓線天線主要由波束控制系統(tǒng)，輻射陣面組成。波束控制系統(tǒng)通過對移相器狀態(tài)的改變，使得每一個輻射單元得到相應(yīng)的饋電相位，形成所需要的陣列波束。輻射陣面由兩維正交的駐波陣線陣組成，采用微帶駐波陣線陣形式，減少了輻射單元間連接電纜，簡化了天線結(jié)構(gòu)。對輻射單元采用周期同相饋電，大大減少了移相器數(shù)目，同時采用開關(guān)、移相器、功分器相結(jié)合的方案，簡化了波束控制系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)波束示意圖

1.1 駐波陣線陣設(shè)計

駐波陣功分器設(shè)計是駐波陣天線設(shè)計的核心。駐波陣功分器在等效電路上是一種串并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)節(jié)傳輸線特性阻抗比值，可以實(shí)現(xiàn)駐波陣功分器功率分配端口電流的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)線陣需要的電流口徑分布。

駐波陣功分器基本結(jié)構(gòu)單元如圖2所示，兩個相鄰功分支路輸出端口1與輸出端口2間由兩級四分之一介質(zhì)波長阻抗變換段(特性阻抗值第一節(jié)為Zc1，第二節(jié)為Zc2)和一段二分之一介質(zhì)波長主傳輸線(特性阻抗值為Zc)組成。輸出端口1和輸出端口2間的傳輸線距離保持一個介質(zhì)波長，以保證輸出端口1與輸出端口2饋電相位相等。陣列輻射單元輻射電阻相等，通過式(1)和式(2)調(diào)節(jié)這兩段四分之一變換段的特性阻抗值Zc1與Zc2之比，就可以調(diào)節(jié)兩個功分支路輸出口的電流值之比，依次類推，可以很方便的得到線陣需要的電流口徑分布。

U1為加載在輸出端口1上的電壓;U2為加載在輸出端口2上的電壓;I1為加載在輸出端口1上的饋電電流;I2為加載在輸出端口2上的饋電電流。

駐波陣線陣由十八個耦合饋電半波振子和一分十八駐波陣功分器組成，陣列口徑電流幅度分布按-25dB泰勒分布。

駐波陣線陣結(jié)構(gòu)見圖3，在HFSS軟件中建模仿真計算，線陣中心頻點(diǎn)方向圖見圖4，駐波見圖5。

1.2 波束控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

圖2 駐波陣功分器基本結(jié)構(gòu)單元

圖3 駐波陣線陣結(jié)構(gòu)

圖4 駐波陣線陣中心頻點(diǎn)方向圖

圖5 駐波陣線陣駐波

本風(fēng)廓線雷達(dá)相控陣天線為開關(guān)切換時分五波束陣列天線。陣列波束控制系統(tǒng)由功分網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)與移相器，波控機(jī)等組成。通過配相設(shè)計減少移相器與開關(guān)數(shù)目，降低波束控制系統(tǒng)復(fù)雜度是本天線配相設(shè)計的主要目標(biāo)。陣列在行和列上，輻射單元采用周期同相饋電方法可以降低天線成本，減小波控系統(tǒng)復(fù)雜度。所謂周期同相饋電是指陣列波束掃描時，在對應(yīng)的行或列上調(diào)整天線單元間距，使得多個天線單元輻射電流同相，從而共用一個移相器的技術(shù)。

1.3 陣列輻射單元配相設(shè)計

根據(jù)天線波束寬度要求陣列由18×18個輻射單元等間距布陣組成。在行和列上陣列掃描波束指向偏離陣面法線16°，采用周期同相饋電法，以五個單元為一個360°相位周期，單元相差72°，單元間距168.74mm，每一行(或列)18個輻射單元分為4個相位周期組，每一組陣列單元饋電相位完成一個360°相位周期，每一組輻射單元數(shù)目分別為:5，5，5，3。陣列行或列輻射單元相位分布見表2，由表2可知:線陣輻射單元序號為1，6，11，16的陣列單元為同相饋電可以共用一個移相器，序號為2，7，12，17的陣列單元為同相饋電可以共用一個移相器，序號為3，8，13，18的陣列單元為同相饋電可以共用一個移相器，序號為4，9，14的陣列單元為同相饋電可以共用一個移相器，序號為5，10，15的陣列單元為同相饋電可以共用一個移相器。陣列在兩個個維度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)要求的5個陣列波束掃描。對移相器移相要求為:一號移相器移相狀態(tài):0°;二號移相器移相狀態(tài):0°，±72°;三號移相器移相狀態(tài):0°，±144°;四號移相器移相狀態(tài):0°，±216°;五號移相器移相狀態(tài):0°，±288°。

陣列波束指向偏離陣列法線-16°時，陣列行或列緯度上輻射單元電流相位分布如表1所示。

表1 陣列輻射單元相位分布

2.2.2 功分移相網(wǎng)絡(luò)組成

風(fēng)廓線雷達(dá)功分移相網(wǎng)絡(luò)由功分器，移相器，開關(guān)，同軸電纜等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。移相器在波控機(jī)和激勵器的作用下，通過對各射頻通道的信號相位進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)天線波束在空間的電控掃描。

圖6 波束控制系統(tǒng)示意圖

2 天線仿真計算結(jié)果

風(fēng)廓線雷達(dá)天線由18×18個輻射單元組成，給定每個輻射單元相應(yīng)波束指向的電流幅度和相位分布，輻射單元方向圖與陣列陣因子相乘就得到了陣列掃描方向圖?？紤]到天線安裝狀態(tài)以及移相網(wǎng)絡(luò)的不一致性，輻射單元電流相位分布加入±5°的隨機(jī)誤差，圖7是陣列的法線指向波束和偏離法線掃描波束方向圖。

圖7 陣列法線波束與掃描波束

3 結(jié)束語

通過周期同相饋電法與單元線陣采用駐波陣形式，本文提出了一種風(fēng)廓線雷達(dá)相控陣天線設(shè)計方法，在滿足雷達(dá)系統(tǒng)對天線波束掃描要求的情況下，降低了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本。在工程上有一定的使用價值。

［1］蔣凡杰.一種風(fēng)廓線雷達(dá)相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報［J］，2008，3(2):165-168.

［2］ 胡明寶，賈曉星.風(fēng)廓線雷達(dá)有源相控陣天線的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).解放軍理工大學(xué)學(xué)報［J］，2009，10(3):84-89.

［3］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［4］張鈞等.微帶天線理論與工程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1988.

［5］顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設(shè)計［M］.1978.