基于相控陣?yán)走_(dá)天線俯仰多波位相掃的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳志毅李廣偉2(.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣元6208402.陸軍重慶軍代局駐廣元地區(qū)軍代室廣元20840)

基于相控陣?yán)走_(dá)天線俯仰多波位相掃的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳志毅1，李廣偉2
(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元620840；2.陸軍重慶軍代局駐廣元地區(qū)軍代室，廣元20840)

分析研究了如何設(shè)計(jì)平面相控陣?yán)走_(dá)天線多波位相掃的基本原理，提出了36行平面相控陣?yán)走_(dá)天線在俯仰上實(shí)現(xiàn)多波位發(fā)射波束、接收波束形成與展寬方法。通過微波暗室的測試，天線技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到了平面相控陣?yán)走_(dá)天線多波位相掃的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了一維相控陣面高增益、高靈敏度、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)指標(biāo)。

相控陣天線；多波位相掃；高增益；移相器；波束展寬

0 引言

對于低空或超低空目標(biāo)的偵察，需要有較高克服地物或其他抗干擾的措施，才能獲得所需信息。通過對多種類型雷達(dá)比較，選擇相控陣?yán)走_(dá)是一種比較好的選擇。原因在于相控陣天線波束指向靈活，同時(shí)可以形成多個(gè)獨(dú)立波束，可在空域內(nèi)同時(shí)監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo)，獲取數(shù)據(jù)率高，具有對復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］。

1 相控陣?yán)走_(dá)天線設(shè)計(jì)原理分析

相控陣?yán)走_(dá)天線可以采用一維或兩維有源平面相控陣天線，通過反射面的半波振子天線組成。為了獲得較高的天線增益，將許多天線單元按一定規(guī)則排列在一起，組成一個(gè)大的陣列天線。同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)波控改變陣列天線中各天線單元激勵(lì)電流的幅度或相位來實(shí)現(xiàn)天線方向圖的波束形狀和波束指向。例如，以陣面法線為中心，如果左邊半波振子天線發(fā)射信號(hào)相位早一點(diǎn)，右邊晚一點(diǎn)，那么信號(hào)疊加后，最大能量方向就會(huì)向右偏，即精確控制它們的相位差，就能控制這個(gè)最大能量的指向。因此，對于平面陣相控陣天線，如果要在方位角φ和仰角θ這兩個(gè)方向上同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線波束的相掃，采用平面相控陣天線是適宜的。

設(shè)天線陣列位于yoz上，共有M×N線單元，沿y方向的N個(gè)陣元以間距dy勻排列，沿z方向的M個(gè)陣元以間距dz勻排列，從而形成矩形柵格陣的平面陣。在忽略天線單元方向圖的影響條件下，平面相控陣天線的方向圖函數(shù)F(cosαy，cosαz)如式(1)所示［2］。

式中，αik表示第(i，k)個(gè)天線單元的幅度加權(quán)系數(shù)。在天線陣列yoz平面上，cosαy、cosαz與在方位角φ和仰角θ這兩個(gè)方向上的函數(shù)關(guān)系為：

因此，可以得到在方位角φ和仰角θ這兩個(gè)方向上的函數(shù)方向圖函數(shù)。

由式(3)可知，為了在(θ，φ)方向上獲得波束最大值，分別改變相鄰天線單元之間的相位差α、β值，即可突破天線波束的相控掃描。而α、β值的改變?nèi)匀皇峭ㄟ^每個(gè)天線單元后端設(shè)置的移相器實(shí)現(xiàn)，即只要在每個(gè)單元上串入(0～2π)的可調(diào)移相器，并可控制移相器的移相量就可以控制最大輻射方向，從而形成波束掃描。

2 相控陣?yán)走_(dá)天線俯仰多波位相掃的設(shè)計(jì)

以36個(gè)天線行、T／R組件以及饋電網(wǎng)絡(luò)、波控器等組成的平面相控陣?yán)走_(dá)天線陣面為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，平面相控陣?yán)走_(dá)天線完成功能：

1)空間合成形成發(fā)射波束；

2)空間合成形成和、方位差和高低差3個(gè)接收波束；

3)采用一維相掃形成5個(gè)俯仰波位，完成0°～45°的俯仰掃描。

2.1 相控陣?yán)走_(dá)天線陣面設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

1)陣列振子：每行設(shè)計(jì)成24個(gè)半波振子，則整個(gè)陣面共864個(gè)半波振子；

2)功分網(wǎng)絡(luò)：由不等分功分器構(gòu)成功分網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)不等分功分器驅(qū)動(dòng)12個(gè)半波振子，則每行需要2個(gè)不等分功分器；

3)T／R組件：完成收發(fā)轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大，每行需要2個(gè)T／R組件；

4)微帶電橋：構(gòu)成和差器，設(shè)計(jì)成微帶結(jié)構(gòu)；

5)環(huán)形器：信號(hào)按照需要方向流動(dòng)。

2.2 發(fā)射波束形成的設(shè)計(jì)

由發(fā)射機(jī)頻綜輸出線性調(diào)頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過3級(jí)固態(tài)放大器放大后輸出3路激勵(lì)功率信號(hào)，每一路激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)12等功率分配器——環(huán)流器——和差器均分成兩路，分別激勵(lì)兩個(gè)T組件，T組件的輸出由兩個(gè)不等分功分器按Taylor加權(quán)分配給天線輻射單元，經(jīng)空間合成發(fā)射波束。

2.3 接收波束形成的設(shè)計(jì)

常采用Butler矩陣多波束網(wǎng)絡(luò)或基于FFT的數(shù)字波束形成DBF技術(shù)來實(shí)現(xiàn)接收多波束。

(1)接收和路波束和高低差波束的設(shè)計(jì)

發(fā)射波束照射到目標(biāo)后，反射回波被陣面振子天線接收，對于整個(gè)平面陣而言，將36行接收信號(hào)經(jīng)兩個(gè)不等功分器相加后經(jīng)一個(gè)和差器，形成和波束和高低差波束。

(2)方位差波束的設(shè)計(jì)

每一行可形成一個(gè)方位差波束，將36行的方位差經(jīng)功分器相加后，形成了方位差波束。

2.4 波束展寬設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)對搜索空域進(jìn)行立體掃描時(shí)，需要考慮因素：保證雷達(dá)檢測性能，需要減小相鄰波位之間的波束躍度，以降低波束覆蓋造成的損失，提高雷達(dá)的搜索數(shù)據(jù)率，又要求天線波束躍度不能太小(波位數(shù)目不宜過多)，否則會(huì)造成雷達(dá)的冗余檢測［3］。因此，相控陣天線的最佳波位設(shè)計(jì)，須根據(jù)雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)要求確定最佳波位數(shù)。

根據(jù)仰角線陣對指定搜索角度范圍的最佳波位序列，定義天線波束的η功率點(diǎn)寬度為：

式中，d為陣元間距，N為陣元數(shù)目，λ為工作波長，k為波控?cái)?shù)碼的計(jì)算位數(shù)，θB天線波束指向，η為功率電平值。

式(4)表明，天線波束寬度隨掃描角的增大而展寬，這就是天線波束的掃描展寬效應(yīng)。

(1)發(fā)射波束的展寬設(shè)計(jì)

為了不損失發(fā)射能量，發(fā)射波束展寬采用了變有效天線口徑和相位加權(quán)相結(jié)合的方法，即在1波位、2波位全口徑工作(36行工作)，3波位24行工作，4波位36行工作，采用相位加權(quán)使波束寬度展寬，5波位36行工作，相位加權(quán)使波束寬度展寬。

(2)接收波束展寬設(shè)計(jì)

控制T／R開關(guān)，按需要開、關(guān)T／R組件，改變陣面工作行，即改變天線有效口徑，便可以改變半功率點(diǎn)的波束寬度。在遠(yuǎn)距離采用窄波束，近距離采用寬波束，即遠(yuǎn)區(qū)采用大口徑，近區(qū)采用小口徑以解決最大作用距離與最大仰角覆蓋的矛盾。這是相控陣?yán)走_(dá)獨(dú)有特點(diǎn)，能充分利用雷達(dá)的時(shí)間資源和能量資源。相控陣陣面在接收狀態(tài)下，1波位、2波位全口徑工作(36行工作)，有效口徑2m×2m，3波位采用24行工作，4波位采用12行工作，5波位采用6行工作。

3 電性能參數(shù)測試

在微波暗室對天線5個(gè)波位進(jìn)行測試，接收增益大于或等于 33dB，發(fā)射增益大于或等于32dB，水平波瓣副瓣電平小于或等于－30dB，垂直波瓣副瓣電平小于或等于－25dB(1／2波位)；方位零值深度小于或等于－25dB，俯仰零值深度小于或等于－25dB(1波位、2波位)。3D合成圖如圖2所示，相位全息圖如圖3、圖4所示，方向圖如圖5、圖6所示，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(由于篇幅原因，圖中只列出了低波位1的測試結(jié)果圖)。

4 結(jié)論

從微波暗室指標(biāo)測試結(jié)果看，實(shí)現(xiàn)了平面相控陣?yán)走_(dá)天線在仰角多波位掃描。目前已正式投入生產(chǎn)，裝備于某型超低空補(bǔ)盲雷達(dá)車。該天線工程應(yīng)用水平較高，很有推廣價(jià)值。

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Design and Application of Pitching Multi Wave Phase Sweep Based on Phased Array Radar Antenna

WU Zhi?yi1，LI Guang?wei2
(1.Sichuan Institute of Information Technology，Guangyuan 620840; 2.The Military Representative Office of Army Corps of Chongqing in Guangyuan area，Guangyuan 620840)

Analysis and research on how to design planar phased array antenna the basic principle of multi wave phase sweep，presented 36 line plane phased array antenna is implemented more wave emission beam on the pitch，the method of receiving beam forming and broadening.Through the test of microwave dark room，antenna technical indicators fully meet the multiple wave phase of the technical requirements，the one?dimensional phased array face high gain，high sensitivity，low noise coefficient，large dynamic range technology index.

planar phased array;multi wave phase sweep;high gain;phase shifter;beam broadening

TN953＋.7

A

1674?5558(2017)03?01314

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.018

吳志毅，男，教授，研究方向?yàn)樯漕l／微波技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)。

2016?08?19