大型分段相控陣平面天線饋電網(wǎng)絡的研制

樊 品，石恒和

(南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司，南京 210037)

0 引 言[1]

大型相控陣雷達天線采用分塊、自動拆疊的方式，可大大縮短雷達架設、撤收的時間，使雷達機動性能有了質(zhì)的飛躍，實現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)移，從而避免了ARM的攻擊，也大大提高了雷達獲取情報的能力。

為了獲得理想[2]的天線性能，饋電網(wǎng)絡的好壞起著舉足輕重的作用。由于對天線的重量和體積也提出了苛刻的要求，因此天線在寬度、厚度上都進行壓縮以此滿足結(jié)構(gòu)上的需要。本單位研制的相控陣天線是由多條行饋組成的平面陣且每條行饋分為三段，每行有數(shù)個印刷振子做的天線單元，段與段之間用電纜連接，如圖1所示。在設計天線行饋時，很重要的一個關鍵技術就是饋電網(wǎng)絡的設計，它除了要考慮單元之間的互耦[3]，還必須考慮到行饋板線與行饋之間的連接電纜相位、損耗的不一致性，統(tǒng)籌考慮并修正初始電流分布，以獲得滿足低副瓣要求的行饋口徑幅、相電流分布。

圖1 1:34行饋分段示意圖

1 天線行饋饋電網(wǎng)絡設計

1.1 天線行饋饋電網(wǎng)絡電流的理論計算

設有一個等間距直線陣，單元數(shù)為N，單元間距為d，如圖2所示。

圖2 N單元等間距直線陣

線陣各單元的泰勒電流分布為

由式(1)就可綜合出平面陣列天線中行饋各單元的饋電電流分布，如圖3所示。

圖3 行饋各單元上電流分布

1.2 天線行饋饋電網(wǎng)絡的實現(xiàn)方法

饋電網(wǎng)絡分3段(如圖1所示)，左、中、右三段各為1分12、1分10和1分12的功分網(wǎng)絡，其中中段有二個輸出口分別為兩邊行饋提供能量，這二個端口的指標比其他端口要求更嚴。行饋饋電網(wǎng)絡的指標如下。

34個輸出口的幅度在帶內(nèi)起伏度:≤±0.15 dB;

輸出端口間隔離度:≥24 dB;

插損值:≤1.0 dB;

各輸出端口間相位的一致性:≤±2°;

總輸入口的駐波:ρ≤1.3。

根據(jù)行饋的電流分布和上述要求，選用板線形式的并聯(lián)功分網(wǎng)絡。由于分段的行饋之間采用了電纜連接，電纜的損耗、相位與板線不一致，再加上輻射單元之間的互耦影響，因此在電流分配到各個端口時需要進行一些調(diào)整。

首先行饋連接的電纜選用速比為83%的電纜，其目的就是降低損耗和傳輸?shù)碾婇L度，但每根電纜的損耗仍然有0.3 dB，在設計饋電網(wǎng)絡的口徑分布時必須進行補償，即需重新調(diào)整中行饋對兩邊行饋分配能量的功分器的分配比。電長度的補償需要考慮電纜、電纜插頭及行饋上插座的影響，可以通過測試、仿真相結(jié)合的手段找出需要補償?shù)南辔徊?。其次由于互耦也會影響到口徑電流的幅度和相位。在天線陣面中位于陣中單元的互耦的影響基本一致，饋電分布變化不大，但對于陣面邊緣的部分單元來說互耦影響就不同了，從而使饋電網(wǎng)絡電流分布發(fā)生變化;為了得到低副瓣天線性能，在有互耦情況下對口徑上的電流分布進行預先處理。通過矩量法的計算，對口徑場的最邊緣的四個單元的電流的幅度和相位都進行了預補償，并做成可調(diào)節(jié)式，然后通過后期的實驗進一步調(diào)整。

按調(diào)整后的電流分布，計算出單個功分器的頻率特性，之后按級聯(lián)原理就可以算出整個饋電網(wǎng)絡的頻率特性;實踐中發(fā)現(xiàn)，整個網(wǎng)絡的頻帶特性的好壞主要取決于單個功分器性能尤其功分比較大的功分器(大分配比的Wilkinson功率分配/合成器會引起端口間幅、相離散)，因此調(diào)試好單個功分器的性能具有重要意義。

饋電網(wǎng)絡在結(jié)構(gòu)上采用雙層傳輸線的形式，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕(殼體、蓋板為型材)，體積小，若按傳統(tǒng)的設計體積是現(xiàn)在的兩倍。另外為了防止由于行饋寬度、厚度壓縮引起腔體效應和長線之間出現(xiàn)互耦而出現(xiàn)的高次模，設計時在傳輸線之間加了隔離墻，從仿真和實測結(jié)果看這些隔離墻的作用非常明顯。

2 饋電網(wǎng)絡的實測結(jié)果

由于事先采取了饋電電流補償，并進行了高頻電磁仿真，所以實測基本上除了相位有些調(diào)整，其他基本未動，測試結(jié)果與理論吻合的還不錯，而且一致性非常好。中行饋饋電網(wǎng)絡的輸出電流、起伏度、相位的實測數(shù)據(jù)如圖4～6所示;同一條行饋整個頻帶內(nèi)輸出電流與理論值的比較如圖7所示，三條行饋饋電網(wǎng)絡的輸出電流與理論值的差值、起伏度和相位的實測數(shù)據(jù)如圖8～10所示。

3 天線行饋方向圖的實測結(jié)果

圖11～13是在暗室中用平面近場測試法得到的水平方向圖，其中圖11是單饋中間一條行饋，其余二條接匹配負載，圖12是三條同相饋電，圖13、圖14是模擬垂直方向掃描到10°時的水平、垂直方向圖。

圖14 小面陣中三條行饋10°饋電時垂直方向圖

4 結(jié)語

此饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)了低損耗、高隔離度，帶內(nèi)起伏小，以及接近理論的輻、相分布;饋電網(wǎng)絡為雙層傳輸線，結(jié)構(gòu)為鋁型材，實現(xiàn)了重量輕，體積小，為天線高機動、低副瓣奠定了良好的基礎，達到了預期的目標。用小面陣實測的幅、相電流分布推出的遠場方向圖在15%頻帶、垂直方向±10°掃描范圍內(nèi)其水平方向副瓣峰值電平低于－35 dB，用其模擬整個面陣天線方向圖可達－40 dB以下，目前在國內(nèi)(同類型同波段天線的副瓣為－29 dB)處于領先水平[4]。

[1]張光義.相控陣雷達系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1994.

[2]樊品，石恒和.小型化的復雜饋電網(wǎng)絡的設計和仿真[J].中國電子科學研究院學報，2007，2(6):627-630.

[3]張玉梅，孫紹國，盧曉鵬.寬角寬帶偶極子天線單元研制[C]//第八屆全國雷達學術年會論文集，合肥:中國科學技術大學出版社，2002:245-250.

[4]石恒和，樊品.有源天線行饋樣件評審報告[R].南京:南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司，2009.