一種塔康天線的小型化設計

吳保義

(福建星海通信科技有限公司，福建 福州 350008)

0 引言

塔康系統是極坐標中近程導航系統，可為搭載塔康系統機載設備的飛機提供相對于系統信標臺的方位和距離信息[1-2]。塔康系統包括地面信標設備和機載設備，地面信標設備主要由地面設備主機和信標天線組成。該系統除了可安裝在機場航路點固定運載體上還可以安裝在艦載運載體或者機動車載運載體上，機動性和靈活性較高，特別適合軍事應用[3]。

塔康地面信標天線(簡稱塔康天線)要求有特定的方向圖[4]。在水平面內，其靜態方向圖為沿圓周分布的九瓣心臟形方向圖，并要求方向圖以每秒15轉的角速度進行順時針旋轉。天線水平面內旋轉的九瓣心臟形方向圖對測位精度等指標有著重要影響。傳統塔康天線水平面場形調制主要有3種：衰減式幅度調制、寄生振子開關式幅度調制和相控式幅度調制[5]。采用衰減式幅度調制方式和相控式幅度調制方式的塔康天線，是由36個振子陣列組成的圓柱陣列天線。在每列振子陣列的饋線上饋入幅度按一定規律變化的激勵信號，可在水平方向形成旋轉場。而采用寄生振子開關式幅度調制方式的塔康電掃天線，寄生振子數量也同樣在30個以上，通過周期性控制不同方位上的寄生振子，使其對中心輻射振子輻射的全向信號起引向和反射作用，從而在水平方向形成旋轉場形。

平行布置的2個天線之間存在互耦[6-8]，互耦與平行天線之間的距離有關，距離越大，互耦越小，對天線的性能影響也越小。圓環陣天線陣元數量越多，天線的直徑就越大。某新型地面塔康圓柱面天線直徑約1.7 m[8-9]。由于塔康電掃天線采用單層天線陣，垂直面方向圖只能通過調整天線圓形反射板的直徑進行控制。為了降低垂直面波束最大輻射方向對應的仰角，艦載塔康系統天線的直徑一般為1.4 m左右。

針對某型號車載塔康系統信標天線高增益、小型化和適裝性設計要求，本文通過減少圓柱陣塔康天線的陣列數量，重新設計對應的饋電電路，提出了一種24個陣列的小型化圓柱陣塔康天線。

1 天線設計

如圖1所示，天線為多個縱列組成的圓柱天線陣。與傳統相控塔康天線[10]相比，該天線結構簡單直觀，縱列與TR組件1對1連接。使用TR組件可以對饋電信號的幅度和相位更加精準控制。

圖1 小型圓柱陣塔康天線原理框圖Fig.1 Functional block diagram of the miniature cylindrical array TACAN antenna

適當減少縱列數量是天線小型化的一種方式，可以減小天線尺寸。該天線把傳統圓柱塔康天線的縱列數量從36個減少至24個，不僅可以減小天線尺寸，同時也可以減小TR組件的數量和天線的質量。

本文主要論述圓柱陣塔康天線的小型化設計，TR組件設計和垂直面方向圖的余割平方波束賦形設計技術成熟[11-15]，不在本文的論述范圍內。

2 方向圖合成原理分析

由36個縱列組成的傳統圓柱陣塔康天線，各個縱列饋入信號的調制包絡信號Vi(t)可表示為[10，16]：

(1)

式中，Vi(t)為第i個振子縱列饋入信號的調制信號；A為調制信號的幅值；i為縱列序號，i=1，2，…，36；ω為2π×15。

饋入信號的調制頻率為15 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差10°；饋入信號的調制頻率為135 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差90°[17]。

為了方便說明，在本文中把15 Hz的周期T0(T0=1/15 s)均分為N個時間段，每個時間段的時間間隔Δt=T0/Ns，第k(k取值范圍0～N-1)個時間段的開始時刻用tk表示,且在(tk+Δt)的時間內，有Vi(t)=Vi(tk)，則有：

(2)

此時，在(tk+Δt)的時間內，各個縱列饋入信號的調制信號Vi(t)是一個恒定值。圓柱天線在空間上可以合成一個固定的九瓣心臟形方向圖。當隨時間t變化時，九瓣心臟形方向圖按旋轉頻率15 Hz進行水平旋轉，在空間不同方位φ上，接收機可接收到幅度變化規律與九瓣心臟形方向圖一致的信號，只是信號的最大值對應的時間t與水平方位φ有關。九瓣心臟形方向圖與塔康系統的主輔基準配合使用時，可以為機載塔康設備提供測向功能。

類似地，由24個縱列組成的圓柱陣塔康天線，各個縱列饋入信號的調制信號Vi(t)可表示為

(3)

式中，i為天線縱列序號，i=1，2,…，24。

當饋入信號的調制頻率為15 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差15°(即360°/24)；當饋入信號的調制頻率為135 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差135°(即15°×9)。

本文對由18個縱列組成的圓柱陣塔康天線也進行了分析。當饋入信號的調制頻率為15 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差20°(即360°/18)；當饋入信號的調制頻率為135 Hz時，相鄰2個振子之間的相位相差180°(即20°×9)。各個縱列饋入信號的調制信號Vi(t)可表示為：

(4)

式中，i為天線縱列序號，i=1，2,…，18。

把15 Hz的周期T0分成N個時間段，每個時間段的時間間隔ks，第k(k取值范圍0～N-1)個時間段的開始時刻用tk表示。對于式(4)中135 Hz調制信號分量部分，令：

(5)

則有：

(6)

根據式(5)，有：

(7)

在周期T0內，當m為0，1，2，…，17時，根據式(7)可知tk

由于九瓣心臟形方向有9個波瓣，根據奈奎斯特采樣定律，抽樣點數應不小于18，因此圓柱陣塔康天線的天線陣列數量應不小于18個。本文選取天線的縱列數量為24個。

3 天線單元設計

天線縱列是天線單元組成的直線陣。如圖2所示，天線單元選取半波對稱振子，在距離振子λ/4處設置反射平板，饋電方式為帶線平衡饋電。通過對反射平板的合理設計，當天線單元組成圓柱陣時，反射平板可組成圓柱形反射面。天線單元在950～1 215 MHz內的駐波特性如圖3所示，在工作頻帶內有較好的駐波特性。

圖2 天線單元Fig.2 The basic antenna unit

圖3 天線單元端口電壓駐波比Fig.3 Port VSWR of the basic antenna unit

圓柱陣天線中相鄰天線單元之間的距離有限，振子之間存在信號耦合。為了增大天線單元之間的隔離度、降低信號耦合，保證各天線單元的駐波特性，相鄰天線單元的陣間距離要加大。因此，組成圓柱陣的天線單元數量越多，圓柱天線陣的直徑就必須越大。圖4是直徑為1 100 mm的24天線單元圓柱陣天線和1 700，1 100 mm的36天線單元圓柱天線陣中，相鄰2個天線單元之間的耦合系數的仿真結果。

圖4 耦合系數對比Fig.4 Comparison of S21 responses

由圖4可以看出，直徑為1 100 mm的24天線單元圓柱陣天線中相鄰振子之間耦合系數，與直徑為1 700 mm的36天線單元圓柱陣天線中相鄰振子之間耦合系數基本相當。因此，當使用24個天線縱列的設計時，圓柱陣塔康天線的直徑可減小到1 100 m左右，可明顯減小天線直徑。

4 仿真與結果

由24個天線單元組成的直徑為1 100 mm的單層圓柱陣天線仿真模型如圖5所示。

圖5 24天線單元圓柱陣天線仿真模型Fig.5 Simulation model for the cylindrical antenna combined by 24 unit arrays

天線單元序號i采用逆時針方向排列，第1號天線單元布置在水平極坐標的15°方向，第24號天線單元布置在水平極坐標的0°方向。每個天線單元饋入信號的調制信號Vi(t)依照式(3)進行設置。

圖6依次是t0=0 s，t5=5T0/360 s，t10=10T0/360 s，t15=15T0/360 s時的水平方向圖。為了方便說明，以上4個時刻tk是把1個15 Hz的周期T0均分為360個時間段，與水平方位360°、方位間隔1°一一對應。因此理論上，水平方向圖的最大值對應的水平方位值應依次為0°，-5°，-10°，-15°。

(a) t0時的方向圖

(b) t5時的方向圖

(c) t10時的方向圖

(d) t15時的方向圖圖6 不同時刻的方向圖Fig.6 Patterns at different times

圖6中仿真結果的九瓣心臟形方向圖最大值對應的水平方位值與理論值一致。經過充分驗證，在任意時刻方向圖的最大值對應的水平方位與理論值均一致，由于受篇幅限制，仿真結果曲線未能全部呈現。24個縱列的圓柱陣塔康天線，可實現九瓣心臟形方向圖并按15 Hz進行旋轉，方向圖最大值的水平方位指向與預期值一致。說明采用24個縱列的圓環陣塔康天線是可行的。

5 結束語

與傳統的36個縱列的圓柱陣塔康天線相比，本文提出的24個縱列的圓柱陣塔康天線，天線縱列與TR組件的數量減少1/3，天線直徑顯著減小，實現了天線的小型化和輕量化，可滿足車載安裝使用要求。