低成本寬角相頻掃陣列研究

高 坤 宗 耀 張 軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現代雷達技術日新月異的發展，機械掃描雷達由于掃描速度慢、反應時間長而不再能滿足現在很多應用場景的要求，電掃雷達就是在這樣的前提下應運而生的。相頻掃雷達是電掃雷達的一種，由于其波束指向可控性更強、成本更低、掃描更加快速、反應更靈敏、結構簡單、重量較輕、可靠度高等優點，被廣泛地應用到多方面領域[1-6]。但普通相頻掃天線陣也有頻掃時主波束掃描角度小等缺點。針對上述問題，本文通過對普通直波導的改進，設計了一種新型波導慢波線窄邊縫隙線陣，大大增加了波導在固定頻帶內的頻掃范圍，結合該線陣設計了某波段低成本寬角相頻掃陣列天線。該陣列在10%的帶寬內，具有方位相掃±45°、俯仰頻掃大于20°的掃描能力。通過理論仿真與實測結果可以驗證，該低成本寬角相頻掃陣列具備可實現性，具有很高的工程應用價值。改進后的波導縫隙陣為進一步提升雷達天線的空域覆蓋能力奠定基礎。

1 線陣設計原理

相頻掃雷達前端陣列由天線陣面、T/R組件、單脈沖網絡等組成，要求實現大角度的方位相掃，俯仰頻掃的功能。相掃維需實現±45°的相掃范圍，因此考慮波導線陣沿波導窄邊排列組陣，實現大角度相掃功能，在波導窄邊開縫，實現頻掃功能。

如圖1所示，形式A是普通直波導，在波導窄邊開縫，為了不出柵板，應適當選取縫隙間距。對Port1端口進行饋電，大部分能量通過縫隙輻射到空間中，Port2端口接吸收負載吸收少量能量，該行波陣在沿著波導方向可實現波束隨頻率的掃描。結合理論分析可知，標準直波導在10%的工作帶寬內僅能實現10°左右的波束頻掃范圍，采用壓縮寬邊尺寸后的直波導能夠實現14°左右的波束頻掃范圍，而這個值也基本是普通直波導的極限值。為了進一步增加固定帶寬內的頻掃范圍，增大在使用頻率內雷達天線的波束覆蓋范圍，因此需要對普通直波導進行改進設計，采用慢波線形式的拐彎波導，增加相鄰輻射縫隙之間電磁波傳輸路徑，從而大大提高頻掃范圍。如圖1形式B所示，改進后的波導可以實現大于20°的頻掃范圍，大大提升了波導掃描能力，為進一步提升雷達天線的空域覆蓋能力奠定基礎。

圖1 波導頻掃原理圖

2 設計與分析

采用改進后的慢波線形式波導，建立如圖2所示的3×5陣列模型進行提參。

圖2 3×5陣列提參模型

通過電磁仿真軟件HFSS，仿真分析縫隙的切割角度、切入深度隨輻射電導的變化關系。并將擬合曲線作于圖3中。

圖3 電導與切角和切深的擬合曲線

設計俯仰維電流分布為-25dB的泰勒加權，線陣輻射縫隙30個，電流分布如圖4(a)所示。根據電流分布可以得到30個縫隙的電導分布，如圖4(b)所示。

圖4 線陣口徑分布

根據圖3電導-切角、電導-切深的擬合曲線得到30個縫隙的切角與切深參數。并設計單根線陣如圖5所示。

圖5 改進的波導縫隙線陣

3 陣列的設計仿真與測試

3.1 組陣與仿真

某波段低成本相頻掃雷達前端由天線輻射陣面、12個T/R組件、一個單脈沖功分網絡和一根校準檢測波導構成。如圖6、圖7所示。天線的中心工作頻率為f0，帶寬為10%。天線陣面采用波導縫隙陣列形式，由48(列)×30(行)共1440個天線輻射單元組成，每一根波導上有縫隙30個，波導縫隙陣饋電口連接12個T/R組件，并由單脈沖功分網絡對T/R組件進行饋電。雷達前端示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 陣面背視圖

圖7 陣面正視圖

經過多次優化，仿真得到陣中線陣的駐波如圖8所示。可以看出，在10%的帶寬內駐波VSWR<1.6。f3頻點(在雷達的實際工作中不使用該頻點)對應的指向由于靠近天線零指向，由頻掃天線理論可知，零指向附近對應頻率點上駐波比較大，這是行波陣固有的特征，其駐波為3.7。

圖8 改進波導縫隙陣陣駐波曲線

從圖9中可以看出，隨著頻率的變化，波束的掃描范圍也隨之改變，f1頻點對應的俯仰波束指向為-23.8°，f2頻點對應的俯仰波束指向為-2.2°，能滿足俯仰波束覆蓋≥20°的指標要求，仿真得到中心頻率f0對應的俯仰維波束寬度為3.4°。仿真得到帶內大部分頻帶的方向圖副瓣電平均小于-20dB，靠近俯仰零指向的波束副瓣有所抬高，是由于行波陣在零指向附近駐波較大，能量在波導中反射疊加后偏離理論設計，這是行波陣固有的特征。

圖9 俯仰維帶內歸一化頻掃方向圖

雷達天線在方位維需實現±45°的相掃范圍，需要關注波導線陣H面的方向圖特性。對陣中單根波導饋電，得到f0頻率的H面方向圖如10所示。

圖10 波導線陣H面方向圖

H面方向圖的3dB波束寬度約為88°，同樣觀測f1-f2整個頻帶內的H面方向圖，帶內方向圖波束寬度均大于80°，波束平滑無凹陷，因此在10%的頻帶內能夠實現方位維±45°的相掃功能。下面給出f0頻點掃描±45°時的理論和差方向圖曲線如圖11所示。

圖11 方位面掃描方向圖

方位面口徑分布選擇副瓣電平為-28dB的泰勒分布，單元間距為d，單元數為48，理論計算中心頻率點上方位面第一副瓣電平-28.27dB，差波束零值深度-50dB。

3.2 測試結果

通過在近場系統測試初相、進而配相，使得雷達前端系統按設計要求保證其技術性能。將雷達天線架設于遠場測試系統中，測試雷達天線的俯仰維頻掃方向圖如圖12所示。

測試雷達天線f0頻點(中頻)方位維相掃的和差波束如圖13所示。

圖13 相掃±45°測試和差方向圖

從圖13的測試結果可以看出，雷達天線在掃描±45°時，和差波束形狀良好，增益沒有明顯下降。和波束副瓣電平、差波束零深、指向精度等指標均正常。測試結果和理論仿真結果一致性較好。

4 結束語

本文通過對普通直波導的改進，設計了一種新型波導窄邊縫隙線陣，大大增加了波導在固定頻帶內的頻掃范圍，結合該線陣設計了某波段低成本寬角相頻掃陣列天線。該陣列在10%的帶寬內，具有方位相掃±45°、俯仰頻掃大于20°的掃描能力。通過理論仿真與實測結果可以驗證，該低成本寬角相頻掃陣列具備可實現性，具有很高的工程應用價值。改進后的波導縫隙陣為進一步提升雷達天線的空域覆蓋能力奠定基礎。