SELEX ALE-9與 INDRA CSL-M 天線分析比較

□ 民航寧夏空管分局 劉 帥 秦姍姍/文

本文分析比較空管二次監視雷達SELEX ALE-9天線和INDRA CSL-M天線的物理結構和饋電網絡，繪制和差波束水平波束圖，從原理上計算兩天線的波束帶寬、旁瓣電平、零值深度等參數。最后根據和差波束水平波束圖，計算ALE-9于CSL-M天線的OBA曲線，分析比較兩個OBA曲線鑒角性能，為深入了解空管二次監視雷達天線原理和性能提供了幫助和借鑒。

隨著民航事業的發展，民航監視業務也隨之發展，在區域管制區和終端區大量部署了二次監視雷達，其中意大利SELEX公司的 SIR-S/SIR-M 型二次雷達和西班牙INDRA公司 IRS 20MP/L 型二次雷達都有大量安裝，兩者均能提供優異的監視服務。SELEX雷達采用ALE-9型天線，INDRA雷達采用CSL-M型天線，ALE-9與CSL-M天線在結構和饋電分配上均有很大的差異，由此產生的天線和差波束水平覆蓋也不盡相同，單脈沖二次監視雷達偏離角(OBA,Off-Boresight Angle)表定義為天線差波束對和波束歸一化的幅值大小，OBA的準確性對于測角精度至關重要，由于ALE-9與CSL-M天線結構和饋電上的不同，導致其OBA表也不相同。本文通過分析ALE-9與CSL-M天線物理結構和饋電系統，比較了兩個天線和差波束的性能指標和OBA曲線的優劣性。

ALE-9與CSL-M天線饋電結構分析

民航二次空管監視雷達天線為直線陣列陣，由N條列饋組成，N條列饋沿水平分布，形成和波束、差波束和控制波束的水平覆蓋。每條列饋垂直分布有10個或者11個偶極子，形成天線波束的垂直覆蓋。天線的控制波束用于詢問旁瓣抑制和接收旁瓣抑制，和波束用于詢問目標，差波束主要用于單脈沖技術。

SELEX ALE-9 天線陣列由36根直線陣列組成，天線前面從左到右共35根輻射柱，天線背部1根輻射柱。其中1至35所有列饋形成和波束，1至17，19至35形成差波束，第18根列饋不參與差波束形成，它與天線背部1根列饋共同形成控制波束。ALE-9天線饋電結構由2個10端口功率分配網絡、2個8端口功率分配網絡和10個環形電橋構成。INDRA CSL-M天線陣列由33根直線陣列組成，天線前面板從左到右共35根輻射柱，天線背部1根輻射柱。其中1至33形成和波束，1至16，18至33形成差波束，第17根輻射柱和背部輻射柱形成控制波束。CSL-M天線饋電結構由1個主分配矩陣、1個次分配矩陣和16個列饋功分器組成，其中列饋功分器為三端口器件，按衰減值不同分為D1、D2和D3三類。

ALE-9與CSL-M天線饋電物理結構主要不同在ALE-9天線列饋左右兩兩對稱，比如（1，35），（2，34），（17，19）列饋饋電相同，而CSL-M天線則左右四根列饋對稱，如（1，2，32，33），（3，4，30，31），（15，16，18，19）列饋饋電相同。

ALE-9與CSL-M天線波束分析

ALE-9與CSL-M天線均為直線陣列。按照天線波束形成原理可知θ方向處遠場場強Pθ為每根列饋在此方向上的場強矢量和。第i根列饋場強與第一根列饋場幅度比值由天線內部結構功率分配網絡決定，相位差分為兩部分：一部分為固定相位差，另一部分為路程差引起的相位差。

ALE-9與CSL-M天線和波束均為所有陣列同相饋電，所以固定相位差取0。差波束第1至N/2左半列饋陣同相位，固定相位差取0。N/2至N右半列饋同左半列饋反相位，取固定相位差為π，中間一根列饋不參與差波束的形成。為了抑制副瓣，ALE-9 天線和CSL-M天線陣列和波束均由Taylor幅度加權形成，差波束均由修正的Bayliss幅度加權形成，兩個天線的Taylor權和修正Bayliss權如表1所示。

表1：ALE-9與CSL-M天線和差波束饋電分布

圖1，圖2為按表1幅度饋電后ALE-9與CSL-M天線和波束和差波束水平方向圖。根據饋電幅度分布，理論計算得ALE-9天線3dB波束寬帶為2.52°，10dB波束寬度為4.428°，20dB波束寬度為5.94°，第一旁瓣小于主瓣 33.115dB，差波束零值深度36.6935dB。CSL-M天線3dB波束寬帶為2.556°，10dB波束寬度為4.428°，20dB波束寬度為5.796°，第一旁瓣小于主瓣 31.40dB，差波束零值深度36.3209dB，滿足MH/T 4010-2006《空中交通管制二次監視雷達設備技術規范》的相關要求。ALE-9與CSL-M天線兩者和波束3dB帶寬、10dB帶寬基本相等，ALE-9天線比CSL-M天線20dB帶寬寬0.145°，第一旁瓣低1.715dB，零值深度高0.372dB。同時可以看出，ALE-9天線差波束副瓣明顯比CSL-M天線差波束副瓣多，ALE-9天線和波束在很大的角度范圍內高于差波束，CSL-M天線的差波束在±40°左右時旁瓣有很大的突起。

OBA鑒角曲線比較

OBA曲線定義為差波束對同角度和波束的歸一化曲線。用dB表示歸一化曲線，即當前角度差波束與和波束的差值。二次監視雷達測量目標角度為探測到目標時的雷達編碼器角度和OBA值對應的偏離瞄準軸的角度之和。和差兩路信號經過鑒相器，判別目標在天線瞄準軸的方向，若目標在雷達天線左半邊，則OBA為負值，若目標在雷達天線右半邊，則OBA為正值。

鑒角曲線的有效值一般為和波束3dB波瓣寬度，SDR為差波束與和波束幅度之差。OBA表即在3dB波束寬度內的角度和其對應的SDR值。在實際應用中比較差和波束的幅值，通過查表即可得到目標偏離瞄準軸的角度。圖3為ALE-9和CSL-M天線在-1.2°至1.2°范圍內的SDR曲線，藍色線為對數值，紅色線為轉換過后的倍數值。依據ALE-9與CSL-M天線和差水平波束，ALE-9 天線SDR范圍為（5.605，44.631）dB， 動 態 范 圍 39.026dB，CSL-M天線SDR范圍為（2.873，41.12）dB，動態范圍為38.247dB，可以看出對于相同的 SDR，CSL-M天線能夠對應的角度范圍更廣，即角度分辨率更大。

結語：

本文分析比較了ALE-9與CSL-M天線的物理和饋電結構，通過Taylor權和修正Bayliss權繪制了和差波束水平波束圖和OBA曲線，分析比較了兩個天線和差波束的參數性能和OBA鑒角能力。文章所分析到的原理和實踐應用，對于維護這兩類天線具有一定的指導和幫助意義。