單脈沖雷達天線和差波束低副瓣設計

薛玲瓏，徐 欽，趙起超，張繼浩，劉 宇

(1.上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109；2.空軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201109；3.上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著技術的發展，相控陣天線技術越來越多地應用到雷達技術領域。雷達性能的好壞，很大程度上取決于相控陣天線的性能，對于單脈沖雷達系統，雷達的超低空、抗干擾能力主要由天線的低副瓣性能決定[1]，接收時，相控陣天線工作在接收狀態，要求同時形成具有低副瓣特性的接收和波束、接收方位差波束和俯仰差波束。和差波束的形成網絡可以采用空間饋電或者強迫饋電的方式實現，空間饋電網絡實現簡單，但不利于集成設計，為滿足雷達系統集成化設計要求，一般采用強迫饋電的方式。對于大型相控陣雷達天線，為了降低饋電網絡的復雜性，和、方位差、俯仰差3個波束同時的低副瓣性能無法得到滿足，一般優先保證和波束的低副瓣性能。

和波束低副瓣性能需要陣面幅度分布滿足Taylor分布，差波束低副瓣性能需要陣面幅度分布滿足Bayliss分布，用傳統的和差單脈沖波束形成方法[2-6]，二者無法兼顧。因為和差加權方式的不同，需要先將和、差信號分開，在陣元級別分別進行和、差的獨立加權，這將導致饋電網絡特別復雜、龐大，不利于工程實現。近年來，國內外在子陣級波束形成上做了大量的研究，如從子陣級和差方向圖性能的角度提出基于椎削函數量化的子陣劃分方法[7]，Ferrier等人[8]提出的非均勻與均勻鄰接子陣，副瓣電平性能沒有得到改善。優化子陣劃分可以改善副瓣性能，但受限于TR組件和網絡結構，無法實現任意形式的子陣分割，尤其在大型陣面中無法實現工程應用[9-11]。也有一些采用和差一體化設計的饋電網絡[12-14]，其設計難度較大，且不具通用性。

本文提出了一種通用的單脈沖雷達天線和差波束低副瓣設計方法，綜合圓形陣面、和波束Taylor加權、差波束密度加權技術，實現和、方位差、俯仰差波束低副瓣，基于二級子陣架構，降低了大型相控陣天線饋電網絡的復雜性和硬件成本。一級子陣內采用全盲插、無纜化設計，二級子陣采用射頻電纜互聯，與傳統方式比可節省50%的電纜使用。該網絡實現方式具有一定的通用性，根據陣面大小、TR組件的形式，綜合考慮工程實現性，對一級子陣、二級子陣規模進行規劃，可以實現和波束、方位差波束以及俯仰差波束同時的低副瓣性能。

1 陣面分布

工作在C波段的單脈沖雷達天線采用兩維相掃形式，具有方位向、俯仰向兩維±60°，±45°的掃描覆蓋能力，波束寬度要求：2°(Az)×2°(El) (中心頻率、法向方向)，副瓣要求：和波束<-30 dB，方位差、俯仰差波束<-20 dB。考慮采用圓形陣面口徑可以得到原始的低副瓣性能，計算得到天線陣面規模，方位向和俯仰向最大單元數為Nx列和Ny行，輻射單元采用三角排列方式，根據式(1)計算結果，綜合考慮雷達波束空域覆蓋范圍內不出現柵瓣，

(1)

采用基于二級子陣的和差網絡設計，一級子陣有4×4=16個輻射單元，如圖1所示，輻射單元采用三角排布，每個輻射單元后接一個有源收發組件(TR組件)(實現二維大角度相位掃描)，在一級子陣內部完成TR組件供電、移相、衰減控制以及接收射頻信號合成或發射射頻功率分配，每個一級子陣外射頻接口只有1個。

圖1 一級子陣分布Fig.1 Diagram of first subarray divided of antenna

1.1 天線陣面設計

天線陣面為圓形平面相控陣天線，包含若干個一級子陣。天線陣面輻射單元分布如圖2所示，紅色區域為有效輻射單元，每個輻射單元對應一個有源收發通道，按區域分成12個二級子陣，二級子陣內部各一級子陣的射頻信號通過功分合路器、射頻電纜連接。為滿足單脈沖雷達使用要求，天線陣面需在4個象限對稱分布，考慮接收饋電網絡的工程可實現性，采取如圖3所示的陣面二級子陣劃分方式。

圖2 天線陣面輻射單元分布Fig.2 Antenna array radiation element distribution

圖3 天線陣面二級子陣劃分示意Fig.3 Diagram of second subarray divided of antenna

1.2 方向圖仿真計算

基于陣列理論[15]，天線陣面的輻射遠場方向圖計算公式為：

(2)

式中，θ，φ的定義參見圖4的陣面坐標示意圖；amn表示陣中第m行、n列單元位置的激勵；xmn表示x軸向坐標值；ymn表示y軸向坐標值；β為電磁波在空氣中的傳播常數。

圖4 陣面坐標示意Fig.4 Diagram of array coordinate

為了獲得和差低副瓣性能，需要對每個輻射單元位置的激勵信號進行加權處理，根據陣列理論以及工程經驗，和波束采用Taylor幅度加權、差波束采用Bayliss加權能更好地實現和、差波束的低副瓣性能，不管是在陣元級還是在一級子陣級，單獨加權都難以工程實現，饋電網絡過于龐大，硬件量大，不利于低成本控制。考慮在二級子陣上做改進，具體實現方法如下：在陣元級的TR組件內采用滿足和波束低副瓣性能的Taylor幅度加權，二級子陣做和差處理，和波束合并所有射頻信號，方位差、俯仰差波束時引入密度加權以實現低副瓣。方位差波束形成時，圖3所示的11號、12號二級子陣不貢獻射頻能量；俯仰差波束形成時，圖3所示的5號、6號二級子陣不貢獻射頻能量。

基于上述設計，按式(2)算法采用Matlab進行和差方向圖波束仿真計算 。仿真計算時，輻射單元三角排布，方位向和俯仰向最大單元數為Nx和Ny，進一步地，為使仿真結果更準確，引入工程實現的數字移相器移相、幅度衰減誤差，即5.625°相位隨機誤差、0.5 dB幅度隨機誤差，并給出差波束采用密度加權與否的方向圖的性能仿真對比。

天線陣面的仿真結果如圖5所示。圖5(a)和圖5(b)為方位維仿真結果以及局部±20°范圍內的細節曲線，圖5(c)和圖5(d)為俯仰維仿真結果以及局部±20°范圍內的細節曲線。

(a) 方位面方向圖

(b) 方位面方向圖±20°放大圖

(c) 俯仰面方向圖

(d) 俯仰面方向圖±20°放大圖圖5 天線陣面仿真方向圖Fig.5 Antenna array simulation pattern

通過±20°放大曲線可以看出，方位差、俯仰差波束的方向圖曲線采用密度加權與否的最大電平值基本保持不變，但密度加權后差波束左右主峰更聚攏，方位向近副瓣電平(-15°～15°)下降5 dB，俯仰向近副瓣電平(-5°～15°)下降8 dB，與設計初衷吻合。表1對陣面仿真結果進行匯總。由表1可見，波束寬度、副瓣電平均符合設計要求。

表1 天線陣面仿真結果

2 饋電網絡設計

為實現以上描述的陣面加權，對饋電網絡進行設計，饋電網絡原理如圖6所示，前文講述的24單元的一級子陣已完成射頻信號的合并，根據圖3給出的二級子陣分布方案，二級子陣射頻信號根據其規模大小采用相應的功分合路器以及射頻電纜實現對外射頻接口的合并，每個二級子陣對外射頻接口數量為1個。以7號二級子陣為例，7號二級子陣包含13個一級子陣，13個一級子陣通過一個13功分合路器(發射時功分、接收時合路)以及13根射頻電纜實現射頻信號的整合，其余11個二級子陣采用類似處理方式。

圖6 饋電網絡原理Fig.6 Schematic diagram of feed network

12個二級子陣的射頻信號經過環形器和差電路[16]完成射頻信號的收發分離、子陣級的和差信號提取。陣面工作在接收狀態時，來自二級子陣的射頻信號通過環形電路進入到和差電路，兩兩二級子陣內部的移相、90°橋電路實現和差信號分離，得到二級子陣間的和信號以及差信號，具體組合關系為：7號、8號二級子陣，1號、3號二級子陣，2號、4號二級子陣，5號、6號二級子陣，9號、10號二級子陣分別和差，得到方位向差信號以及和信號，11號、12號二級子陣和差，得到俯仰差信號以及和信號。6路和信號(B1～B6)通過俯仰和差波束網絡形成陣面的和波束；陣面俯仰差信號包括B1～B4，B7五路信號，具體實現方式詳見原理圖中的俯仰和差波束形成網絡；陣面方位差信號直接將5路差信號(A1～A5)合成。

該設計已用于工程項目中， 裝配完成后在微波暗室測試，采用近場測試方法對天線輻射性能進行驗證，驗證饋電網絡的有效性，圖7、圖8分別給出暗室實測方位向、俯仰向和差方向圖。對比局部放大曲線可以看出，實測方向圖曲線與仿真結果高度一致，和波束副瓣實測與仿真相比略有差別。經分析，天線副瓣電平小于-30 dB時，對輻射單元的激勵幅度、相位非常敏感，幅度、相位的細微變化均會惡化副瓣性能，且微波信號傳輸過程中存在各種互擾、耦合，以及測試環境的影響，都會引起方向圖的細微變化，最終導致實測與仿真結果存在細微差別。實測關鍵指標匯總如表2所示。

(a) 方位面方向圖

(b) 方位面方向圖±20°放大圖圖7 天線陣面方位向實測方向圖Fig.7 Measured azimuth pattern of antenna array

(a) 俯仰面方向圖

(b) 俯仰面方向圖±20°放大圖圖8 天線陣面俯仰向實測方向圖Fig.8 Measured elevation pattern of antenna array

表2 天線陣面實測結果

3 結束語

本文詳細介紹了一種單脈沖雷達天線和差波束低副瓣設計方法，該設計在某型號跟蹤制導雷達系統中已得到驗證。綜合圓形陣面、和波束Taylor加權、差波束密度加權技術，實現和、方位差、俯仰差波束同時低副瓣，采用基于二級子陣的陣面架構，降低饋電網絡的復雜性和硬件成本。采用一級子陣內全盲插，無纜化設計，二級子陣間射頻電纜互聯，與傳統方式比可節省50%的電纜使用。在微波暗室進行天線方向實測，和波束副瓣電平<-28.9 dB，方位差副瓣電平<-20.4 dB，俯仰差副瓣電平<-23 dB,和波束寬度為2.03°×2.02°。該方法具有一定的通用性，任意規模的陣面均可通過合理規劃其一、二級子陣規模，實現優異的副瓣性能。