一種測(cè)向陣列天線的研究

王雁濤

（海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 610036）

0 引 言

在傳統(tǒng)交叉波束測(cè)向中，運(yùn)用90°移相方法能夠合成左、右交叉波束，其交點(diǎn)電平穩(wěn)定地維持在“和”波束最大電平-3dB處，此方法形成的交叉波束測(cè)向要利用和、差波束劃定粗測(cè)向區(qū)域才能保證交叉波束測(cè)向唯一性，實(shí)現(xiàn)較高精度測(cè)向；而陣列測(cè)向波束形成網(wǎng)絡(luò)由3dB的90°定向耦合器完成。但基于3dB的90°定向耦合器的相位特性，合成左、右交叉波束副瓣電平較高，約-5～-6dB，波束形成網(wǎng)絡(luò)幅度不一致，導(dǎo)致形成的左、右交叉波束幅度不一致，引起交叉點(diǎn)電平不能保證恒定，從而影響測(cè)向誤差［1］。

另一種經(jīng)典的交叉波束測(cè)向方法是設(shè)計(jì)天線的波束在寬頻帶范圍內(nèi)基本恒定，通過(guò)一定值機(jī)械安裝角度實(shí)現(xiàn)波束比較恒定交叉，優(yōu)點(diǎn)是天線單元間沒(méi)有相位關(guān)系，不存在波束畸變，且副瓣電平較低，但要求波束恒定度非常高。通過(guò)控制喇叭天線口徑場(chǎng)的平方率相位差，在微波頻段實(shí)現(xiàn)天線單元波束基本恒定［2］。但在分米波頻段，由于天線單元為線天線，實(shí)現(xiàn)波束恒定困難，基本上頻率變化1倍，波束寬度也變化1倍，其交叉點(diǎn)電平為-2～-10dB，變化較劇烈，無(wú)法滿足使用要求。因此，在線天線陣列中，有必要研究一種方法既實(shí)現(xiàn)交叉波束降低副瓣且保證波束交叉點(diǎn)電平基本恒定，又不需要和、差波束劃定粗測(cè)向區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)向。

1 測(cè)向陣列天線的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)陣列天線輻射特性研究，提出采用多路功率合成／分配網(wǎng)絡(luò)和不同相移量的多路微波Schiffman移相器組成波束形成網(wǎng)絡(luò)對(duì)陣列饋電，合理取舍陣列間距，并控制移相器移相量的大小，能基本保證交叉波束點(diǎn)恒定，并能將測(cè)向陣副瓣控制在-10dB以下，采用心臟型差波束副瓣抑制陣列解決測(cè)向天線陣超寬帶副瓣抑制問(wèn)題。

1.1 超寬帶偶極子天線設(shè)計(jì)

天線陣元采用一種套筒加載的寬帶偶極子天線，該振子天線由SMA型同軸線饋電，經(jīng)一個(gè)“八”字形狀同軸——振子平衡變換器后，將同軸橫電磁波（TEM）饋電給偶極子天線。該偶極子天線屬于一種經(jīng)典半波振子天線變形，常規(guī)的半波偶極子只能在較窄頻率帶寬內(nèi)工作。為展寬天線工作帶寬并縮小振子天線尺寸，在半波偶極子天線饋電中心采用了套筒加載措施，在振子末端采用了容性加載方法，十字形的翼片可以縮小偶極子長(zhǎng)度。為進(jìn)一步展寬天線帶寬，縮小天線尺寸，在常規(guī)套筒加載的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用了∏形金屬盒和三角形金屬塊進(jìn)行加載。為提高天線單元的增益，本天線還在饋電平衡架末端引入了一個(gè)金屬反射板，該反射板的作用與八木天線的反射器是一致的，可以明顯提高輻射天線增益。精確設(shè)計(jì)的加載型半波偶極子天線，其輻射方向圖類似于惠更斯元輻射方向圖，是一個(gè)寬波束、近似心臟型的方向圖，非常適合作為天線陣列陣元。在使用時(shí)，陣元按斜45°極化方式安裝使用。圖1為陣元結(jié)構(gòu)圖，圖2為陣元典型頻率輻射方向圖計(jì)算值。

圖1 天線陣元結(jié)構(gòu)圖

該套筒加載偶極子天線已研制成功，其半功率波束寬度為60°～110°，天線增益大于4dB，適合作為陣列天線陣元。

圖2 天線陣元典型頻率方向圖計(jì)算值

1.2 測(cè)向陣列和副瓣抑制陣列設(shè)計(jì)

通過(guò)2個(gè)天線子陣達(dá)到5∶1工作帶寬，每個(gè)測(cè)向子陣天線均由6個(gè)超寬帶套筒加載的偶極子天線和微波波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。其中微波波束形成網(wǎng)絡(luò)由微波功率合成／分配器構(gòu)成0°、22.5°、45°、67.5°、90°、135°和 0°、-22.5°、-45°、-67.5°、-90°、-135°兩組固定微波移相，分別給陣列單元饋電，合理選取陣列間距，將交叉波束點(diǎn)電平基本控制在-3dB附近。

模擬理論分析表明能夠?qū)y(cè)向天線副瓣控制在被副瓣抑制天線所切除范圍內(nèi)，圖3為測(cè)向天線陣原理圖。

圖3 測(cè)向天線陣原理圖

其理論分析計(jì)算式為：

式中：Eo（θ，f）為套筒加載偶極子輻射場(chǎng)強(qiáng)；f為工作頻率；d為陣元間距。

在頻率低端測(cè)向天線陣列中，陣列間距取0.48λo，在頻率高端測(cè)向天線陣列中，陣列間距取0.513λo（λo為各子陣中心頻率波長(zhǎng)）。

副瓣抑制天線陣列由一個(gè)三角形陣列構(gòu)成，圖4為副瓣抑制天線陣的原理圖。其中前向兩元分別左右各傾角30°實(shí)現(xiàn)對(duì)前向測(cè)向陣列副瓣抑制，后向180°方位空域由一個(gè)后向套筒加載偶極子天線覆蓋。計(jì)算可知，該天線基本能夠滿足副瓣抑制要求，若個(gè)別頻率不能滿足要求，可以通過(guò)數(shù)字化接收機(jī)算法處理或在系統(tǒng)上將另一組陣列天線的副瓣抑制天線陣共同使用，完成測(cè)向陣抑制遠(yuǎn)區(qū)副瓣問(wèn)題，由于測(cè)向陣列后向副瓣較低，一個(gè)套筒偶極子可以解決后向副瓣抑制問(wèn)題。

圖4 副瓣抑制天線陣原理圖

為解決3個(gè)天線單元間距較大，在波束合成過(guò)程中相互干涉的問(wèn)題，在各陣元輸入相位上引入了不同相位差，基本可以保證副瓣抑制方向圖出現(xiàn)干涉波束零深，在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮波束形成網(wǎng)絡(luò)各自的端口和網(wǎng)絡(luò)損耗。前向副瓣抑制計(jì)算公式為：

式中：±30°為前向陣列單元的左右傾角；d為陣元的間距，在頻率低端的副瓣抑制天線陣間距為0.64λo，在頻率高端的副瓣抑制天線陣間距為0.933λo（λo為中心頻率的波長(zhǎng)）。

圖5為典型頻率測(cè)向陣列和副瓣抑制陣列方向圖計(jì)算結(jié)果，從圖中可知，測(cè)向陣列滿足測(cè)向左、右交叉波束交點(diǎn)電平及副瓣抑制要求，圖6為測(cè)向陣列組件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為測(cè)向陣列組件波束實(shí)測(cè)圖，表1、表2為方位面波束計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，滿足測(cè)向系統(tǒng)對(duì)波束寬度的要求。

圖5 測(cè)向陣列和副瓣抑制方向圖計(jì)算值

圖6 測(cè)向陣列組件構(gòu)成示意圖

圖7 測(cè)向陣列組件波束實(shí)測(cè)圖

表1 低端陣列測(cè)向面波束寬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

表2 高端陣列測(cè)向面波束寬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

2 結(jié)束語(yǔ)

由表1、表2和圖7實(shí)際陣列的波束測(cè)量結(jié)果可以看出：交叉波束的交點(diǎn)電平非常穩(wěn)定，天線陣列組件測(cè)向精度在0.5°（rms）以內(nèi)，遠(yuǎn)低于2°（rms）的技術(shù)要求，較好地解決了交叉波束測(cè)向。既要求交點(diǎn)電平恒定，又要求天線方向圖副瓣較低的要求，尤其當(dāng)天線陣安裝在艦船上，由于天線測(cè)向精度是由陣列及波束形成網(wǎng)絡(luò)決定，受船體搖擺影響較小，在艦船上使用比常規(guī)交叉波束測(cè)向具有更大優(yōu)勢(shì)。

［1］ 唐益民.天線交叉波束指向誤差分析［J］.電子對(duì)抗技術(shù)，2001（2）：27-30.

［2］ 唐益民.非平面波介質(zhì)透鏡及最佳跟蹤喇叭［J］.電子對(duì)抗技術(shù)，1997（02）：53-54.