單脈沖無源相控陣天線研制

2019-09-27 08:57:18武俊偉

雷達與對抗 2019年3期

韓鵬，武俊偉，何蓉

(四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000)

0 引言

隨著現代雷達技術日新月異的發展，雷達功能和性能得到很大提升。相控陣雷達天線由于波束掃描由計算機控制，天線波束在空間幾乎無慣性掃描，使相控陣雷達具有邊掃描邊跟蹤的能力，即利用時間分割技術實時跟蹤多個目標的能力。相控陣雷達天線又分為無源相控陣天線和有源相控陣天線。無源相控陣天線采用集中式發射和接收，發射和接收設備通過功分網絡連接移相器和輻射單元，設備量少。因此，無源相控陣天線成本低，但集中式發射會使發射功率提高受到限制。天線陣面幅度分布由功分網絡決定固定變化，只有相位分布變化改變波束指向。有源相控陣天線每個輻射單元后連接一個具有發射和接收功能的T/R組件。每個T/R組件發射功率大小和相位都可以改變，因此天線陣面幅度分布和相位分布都可以改變，形成的波束也更加靈活，每個T/R組件合成的發射功率也更大。但是，有源相控陣天線的缺點是成本相對較高。而在雷達處理技術中，單脈沖技術[1]可以提高雷達跟蹤精度和抗干擾能力。因此，研制成本相對較低的單脈沖無源相控陣雷達天線具有現實意義。

單脈沖技術能夠從一個應答的單脈沖準確測量到達信號的方向。運用單脈沖技術的天線能夠形成如圖1所示的和波束和差波束。差波束在和波束主瓣方向形成很窄很深的零值區間，在和波束的旁瓣方向差波束要求覆蓋和波束所有旁瓣。

本文介紹了采用單脈沖體制無源相控陣天線的研制。天線同時可以形成和、差兩種波束，而且和、差兩種波束能夠同時快速、靈活地實現波束±45°掃描，將單脈沖技術的測量精度和相控陣天線的靈活性有效結合可以顯著提高雷達系統性能。文中討論了所研制單脈沖無源相控陣天線的組成及原理，滿足和波束和差波束特性而對天線口徑分布所做的優化設計。天線輻射單元考慮互耦的設計方法、饋電網絡設計與實現途徑等，通過對天線±45°不同指向和、差波束測試，表明天線口徑分布優化設計效果良好，不同指向和、差波束都能夠滿足單脈沖技術要求。

圖1 和、差波束方向圖的細化圖形

1 陣面組成

根據雷達系統對天線增益和波束寬度等要求，該單脈沖無源相控陣天線水平方向采用22個輻射單元。為了保證天線波束±45°掃描不出現柵瓣，根據不產生柵瓣的計算公式：

其中，dx輻射單元間距，λmin為最高頻率對應波長，θmax為波束最大指向，Δ=1/NP(NP是陣面中低副瓣線陣組件數量)，經計算輻射單元水平間距為142 mm。每個輻射單元由垂直方向間距為148 mm的4個印制半波振子組成。4個印制半波振子通過一分四等功率微帶功分器饋電，輻射單元結構設計中通過鋁合金骨架支撐，外用玻璃鋼外罩保護并密封處理，滿足天線環境適應性要求。22個輻射單元安裝在封閉的箱式大梁中。箱式大梁中安裝有天線饋電網絡。饋電網絡通過電纜與輻射單元連接，形成對22個輻射單元饋電激勵。圖2給出了該天線陣面的照片。

圖2 天線陣面照片

2 天線口分布設計

為此對天線差波束口徑的幅度分布進行改進設計。表1所示為差波束改進前后口徑幅度分布。

表1 和、差波束改進前后口徑分布

將和、差波束相同的幅度分布改進成了不同的分布，差波束在幅度泰勒分布的基礎上提高中心輻射單元的饋電幅度大小。改進的效果提高了差波束在和波束副瓣方向的增益，從而進一步改善了差波束覆蓋和波束副瓣的效果，避免了穿刺現象的發生，使和、差波束指向在±45°掃描都能滿足單脈沖處理對天線波束的要求。

圖3和圖4分別為修正前后-45°波束指向和、差波束方向圖。改進幅度分布后的差波束在和波束副瓣方向增益明顯增加，也不存在穿刺現象。

圖3 修正前-45°波束指向和、差方向圖

圖4 修正后-45°波束指向和、差方向圖

3 陣面設計

根據天線陣面組成，天線研制過程分為天線輻射單元研制和天線饋電網絡研制。

3.1 天線輻射單元設計

輻射單元由4個印制半波振子等間距排列組成。如圖5所示，4個印制半波振子通過與之連接的一分四微帶功分器實現等幅同相饋電，一分四微帶功分器由3個Wilkinson功分器串聯組成。圖6為Wilkinson功分器外形圖，兩個輸出端口之間焊接隔離電阻，保證輸出端口之間相互隔離，饋電單元之間相互不影響。

圖5 天線輻射單元結構形式

圖6 Wilkinson功分器結構圖

天線輻射單元完成微波信號向空間輻射，其輻射特性會受到附近環境影響。輻射單元在自由空間和天線陣面中附近的邊界環境完全不同。因此，天線輻射單元設計一定要考慮天線陣面中輻射單元之間的互耦影響。輻射單元考慮互耦影響的設計方法如下：首先根據經典的設計原理和公式設計出自由空間輻射單元基本尺寸，然后根據HFSS等電磁仿真軟件建立天線陣面模型，在陣面中考慮輻射單元之間互耦并優化輻射單元尺寸，最后通過加工如圖7所示的小型測試陣調試和測試輻射單元性能。小型測試陣按照天線陣面中的間距由5個輻射單元組成，中間1個輻射單元為調試和測試輻射單元，而該輻射單元兩測各2個輻射單元作為邊界條件，主要對中間輻射單元增加相應的互耦影響。

圖7 輻射單元小陣測試

經測試表明，在15%的帶寬內，輻射單元在小型測試陣中端口電壓駐波比小于1.3。圖8和圖9分別為天線陣面波束指向法線和45°方向時的垂直波束方向圖，垂直波束寬度均大于18°。

圖8 波束指向法線方向垂直波束

3.2 饋電網絡研制

饋電網絡是天線研制的核心部分，天線和、差波束的形成，以及和、差波束各種性能都通過饋電網絡實現。

3.2.1 饋電網絡原理

綜上所述，系統性康復鍛煉可有效提高膝關節股性關節炎患者行關節鏡術后的膝關節功能及主動活動度，有效降低患者疼痛，對患者遠期療效好。

饋電網絡是實現天線口徑分布的硬件系統，因此饋電網絡設計依據也是天線的口徑分布數據。由于該天線改進的口徑分布使和波束與差波束幅度分布不再相同，而是和波束為泰勒分布，差波束在泰勒分布的基礎上只增大了中間輻射單元的饋電幅度。

圖9 波束指向45°方向垂直波束

由于和波束與差波束幅度分布不同，因此增加了饋電網絡實現的復雜性。圖10為饋電網絡原理圖。和端口輸入首先連接耦合器，耦合器2個輸出分別通過2個環形電橋，1個環形電橋直接給天線陣面中心2個輻射單元同相饋電，另1個環形電橋通過2個一分十功分器給天線陣面左右各10個輻射單元同相饋電，實現和端口饋電時天線陣面22個輻射單元幅度分布按泰勒分布，相位同相分布。

圖10 天線饋電原理圖

差端口輸入首先連接一分二功分器。一分二功分器2個輸出分別通過2個環形電橋，1個環形電橋直接給天線陣面中心2個輻射單元反相饋電，另1個環形電橋通過2個一分十功分器給天線陣面左右各10個輻射單元同反相饋電，實現差端口饋電時天線陣面22個輻射單元幅度分布與泰勒分布有所不同，天線陣面左右各11個輻射單元相位相反。

在饋電網絡22個輸出端分別連接22個4位數字移相器，通過控制系統控制22個數字移相器輸出相位變化，控制和、差波束在±45°范圍實現快速掃描。

3.2.2 功分器電路設計

饋電網絡中的功分器包含2種功分器，一種是如圖11所示的一分二功分器，一種是如圖12所示的一分十功分器，都是通過微帶線Wilkinson功分器實現。Wilkinson功分器輸出端口之間有隔離電阻，一分十功分器由9個Wilkinson功分器級聯形成，通過調節微帶線長度使各輸出端相位相同。

圖11 一分二功分器電路圖

圖12 一分十功分器電路圖

經測試表明，在15%的帶寬內，功分器各端口電壓駐波比均控制在小于1.3，各端口幅度輸出較理論分布起伏在±0.25 dB以內，相位分布起伏在±3°以內。

3.2.3 耦合器電路設計

圖13 耦合器電路圖

該耦合器通過印制板兩面的微帶線位置交錯實現功率耦合，通過調節兩段微帶線交錯面大小改變耦合器的耦合度。經測試表明，在15%的帶寬內，耦合器各端口電壓駐波比均控制在小于1.3，耦合度起伏在±0.25 dB以內，隔離端口的隔離度小于-28 dB。

3.2.4 環形電路設計

環形電橋又稱和差器，有2個輸入端口分別為和端口和差端口，2個輸出端口。圖14為環形電橋電路圖。和端口輸入時，由于和端口到達2個輸出端口微帶線長度相等，所以2個輸出端口輸出功率相等，相位相同；而差端口輸入時，由于差端口到達2個輸出端口微帶線長度相差λ/2，所以2個輸出端口輸出功率相等，相位相反。

圖14 環形電橋電路圖

經測試表明，在15%的帶寬內，環形電橋各端口電壓駐波比均小于1.3，輸出幅度起伏在±0.25 dB以內，相位起伏在±3°以內。

3.2.5 數字移相器電路設計

天線波束掃描主要通過移相器改變相位分布形成，因此移相器對相控陣天線整體性能發揮著至關重要的作用。該天線采用4位數字移相器。該移相器具有體積小、質量輕、損耗小、成本低且響應速度快、控制電路簡單等特點。

圖15和圖16分別為數字移相器原理框圖和印制板電路圖。移相器通過開關切換不同長度微帶線控制移相位。4位數字移相器包含180°、90°、45°、22.5°移相位，通過控制電路控制各移相位通斷，使移相器相位在0°～360°以22.5°為步長離散變化。

圖15 數字移相器原理框圖

圖16 數字移相器外形圖

為節省數字移相器位數，同時保證所需要的小的波束躍度，該數字移相器采用了“虛位技術”(phantom-bit technique)[3]。虛位技術原理是：當計算移相器所需的移相值時，按K位進行計算，而實際移相器只有(K-b)位，其中b為被舍去的位數。本文中每一路采用了4位數字移相器，但計算每一路移相器移相值時取K=8，即按8位移相器計算波束掃描時每一路移相器的移相值，而實際應用中將后4位虛擬的移相值舍去。

該相控陣天線采用了4位移相器，4位移相器波束躍度為5°左右。而由于設計中采用了移相器的虛位技術，波束躍度達到1°左右，使4位移相器達到了8位移相器的波束指向效果，并且損耗比8位移相器低1 dB左右，不但提高了天線增益，而且使天線成本大大降低。

經測試表明，在15%的帶寬內，數字移相器端口電壓駐波比均小于1.35；插入損耗小于1.5 dB；中心頻點移相精度：22.5°位≤±1°，45°位≤±2°,其余≤±3°；響應時間：<1 μs。

4 測試及分析

該相控陣天線完成研制后，在微波暗室通過平面近場法對天線方向圖進行了測試。圖17為天線平面近場測試原理圖。將天線架設在測試支架上，測試過程中天線陣面與采樣探頭距離取3～5個波長，掃描范圍按照水平面±60°左右、垂直平面±45°左右的截斷角截取，通過波控器控制天線和、差波束不同指向，分別測試每個指向的和、差波束方向圖。

圖17 天線平面近場測試示意圖

天線主要測試了波束掃描±45°范圍內波束指向0°、±30°、±45°和、差波束方向圖。圖18～圖20分別為測試的和、差方向圖。測試結果中，波束指向0°時和波束副瓣電平小于-30 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于15 dB；波束指向-30°時和波束副瓣電平小于-30 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于15 dB；波束指向-45°時和波束副瓣電平小于-22 dB，差波束覆蓋和波束副瓣，覆蓋余量大于8 dB，天線性能滿足要求。測試結果也說明了對天線口徑幅度分布改進的有效性。