X波段寬帶電子偵察線性陣列天線設(shè)計(jì)

吳鐵成，楊天楊，李志堅(jiān)，向 博

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán)二院，北京 100854； 2．中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

·工程應(yīng)用·

X波段寬帶電子偵察線性陣列天線設(shè)計(jì)

吳鐵成1,2，楊天楊2，李志堅(jiān)2，向 博2

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán)二院，北京 100854； 2．中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

介紹了X波段寬帶電子偵察線性陣列天線設(shè)計(jì)方法，首先介紹線性陣列波束合成，然后給出仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果，隨后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果以及仿真結(jié)果得出結(jié)論。仿真結(jié)果顯示天線性能良好，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出16個(gè)通道的副瓣電平在-15dB左右，通過(guò)計(jì)算所得0°移相和實(shí)際移相基本相吻合，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)畫出的天線波束圖滿足要求。

偵察；線性陣列；天線；有源通道

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)是一種高技術(shù)雷達(dá)，它具有使天線波束作無(wú)慣性掃描和對(duì)雷達(dá)的時(shí)間、能量等資源進(jìn)行自適應(yīng)管理的能力，可以充分發(fā)揮雷達(dá)的潛力。相控陣?yán)走_(dá)利用電子技術(shù)控制陣列天線各輻射單元的饋電相位來(lái)改變波束指向，是客觀需要以及科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，也被大量應(yīng)用在飛機(jī)和艦船上[1-2]。

電子偵察是一種通過(guò)截獲輻射源的電磁信號(hào)并進(jìn)行處理與分析，以掌握身份、技術(shù)特征、地理位置等信息的特殊偵察手段。陣列天線單元一般采用平面印刷天線形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、剖面低、易共形等優(yōu)點(diǎn)，電子偵察在天線方面要求高增益、寬波束等，陣列天線可以很好地應(yīng)用于電子偵察領(lǐng)域[3]。

相控陣天線技術(shù)已開(kāi)始大范圍地應(yīng)用于電子戰(zhàn)與導(dǎo)航領(lǐng)域。現(xiàn)有電子偵察技術(shù)已可做到輻射源的精確定位，但電子干擾在天線波束指向范圍內(nèi)無(wú)法控制干擾覆蓋區(qū)域，很有可能對(duì)電子攻擊目標(biāo)附近區(qū)域內(nèi)己方的通信和其他電子設(shè)備造成一定的影響。傳統(tǒng)的單一功能的電子偵察裝備已不再適應(yīng)現(xiàn)代的作戰(zhàn)環(huán)境，綜合一體化的電子偵察系統(tǒng)更滿足需求。本文設(shè)計(jì)了X波段用于電子偵察的線性陣列天線，利用相控陣天線和接收機(jī)相綜合的方法，介紹了線性陣列波束合成、電掃描方向圖算法等，通過(guò)HFSS軟件對(duì)一維均勻線性陣列天線結(jié)構(gòu)仿真得出滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的天線單元間距以及天線的最佳方向，可以更好了解天線的關(guān)鍵參數(shù)。并且給出了仿真和實(shí)測(cè)誤差產(chǎn)生的原因以及改進(jìn)措施。

1 線性陣列波束合成

相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射波束圖形如圖1所示。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射波束

電掃方向圖公式為：

(1)

陣列進(jìn)行波束掃描時(shí)需要對(duì)每個(gè)陣元的相位和時(shí)間延遲進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)陣元的口徑分布展開(kāi)為復(fù)電壓的形式為：

Am=amejΘm

(2)

當(dāng)滿足公式(3)時(shí)，陣因子在θ0位置具有最大值：

Θm=-(2π/λ)xmsinθ0

(3)

步進(jìn)相位公式為：

Δφ=(dsinθ/λ)360°=(dsinθf(wàn)/c)360°

(4)

式中，d表示天線單元間距，θ表示天線波束掃描角度，λ表示波長(zhǎng)，c表示光速，f表示天線掃描頻率，Δφ表示步進(jìn)相位。

相控陣?yán)走_(dá)天線是由許多輻射單元組成的，輻射單元可以是偶極子、開(kāi)口波導(dǎo)、波導(dǎo)上的裂縫或者其他類型的天線，輻射單元都排列在一條直線上的稱為線性陣列， 本文設(shè)計(jì)的線性陣列天線一共有16個(gè)天線單元規(guī)則排列組成一維均勻線性陣列通過(guò)適當(dāng)激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性，小天線與電纜相連接接在天線架子上，本實(shí)驗(yàn)中小天線采取水平極化方式。

線性陣列天線用到的是中間16個(gè)小天線單元，這里將射頻端口設(shè)計(jì)成插拔連接方式，采用一種小型穩(wěn)相射頻插拔器，這種射頻插拔器的特點(diǎn)是尺寸小、相位穩(wěn)定、接頭有一定的浮動(dòng)量。

2 仿真與實(shí)測(cè)

通過(guò)HFSS軟件對(duì)線性陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，線性陣列天線輸入回波損耗仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)仿真回波損耗截圖

回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

RL=20lg((VSWR+1)/(VSWR-1))

(5)

當(dāng)RL=20dB，VSWR≈1.22時(shí)，仿真結(jié)果比較好，由圖2可以看出曲線上點(diǎn)的縱坐標(biāo)全部在-20dB以下[4]。

線性陣列天線增益仿真結(jié)果如圖3所示。5條曲線是天線單元間距分別為12.2、12.6、13、13.4、13.8mm時(shí)的增益曲線，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：考慮天線線性陣列元間距和耦合系數(shù)以及隔離度大于15dB等因素，最終選擇天線單元間距13.4mm，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖3 天線結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果增益曲線

頻點(diǎn)為8、10、12GHz，φ=90°時(shí)天線結(jié)構(gòu)仿真0°、15°、30°、60°時(shí)波束掃描方向?qū)Ρ葓D如圖4～6所示。本文是X波段線性陣列天線設(shè)計(jì)，取X波段的3個(gè)頻點(diǎn)波束掃描方向?qū)Ρ葓D，天線測(cè)試時(shí)是-60°～60°掃描，取0°～60°時(shí)的4個(gè)角度波束掃描方向?qū)Ρ葓D。

圖4 8GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

圖5 10GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

圖6 12GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

在微波暗室中測(cè)試天線，可以免受雜波干擾，提高被測(cè)設(shè)備的測(cè)試精度和效率。機(jī)箱有單獨(dú)的外加電源從下面4個(gè)端口供電。機(jī)箱中的板子是1×16的通道板，16個(gè)通道板用電纜與天線板相連接，通道板的正面是放大移相組件以及很多的小組件，放大移相組件主要功能是放大功能，此外，小組件為八D觸發(fā)器，特點(diǎn)是三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出置數(shù)全并行存取緩沖控制輸入。通道板的反面是10個(gè)一分四功率分配器，起到功率分配的作用。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 16個(gè)通道對(duì)應(yīng)的幅度以及相位值

由表1可以看出：16個(gè)通道的副瓣電平在-15dB左右，每個(gè)陣元都具有一個(gè)移相器，相位變化是頻率和掃描角度的函數(shù)，0°移相表示的是移相器之間相位相差0°，實(shí)際移相是通過(guò)移相器移相使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中測(cè)出的移相器相位之差為0°。

3 結(jié)果分析

16通道0°移相和實(shí)際移相數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖7所示?？梢缘贸觯?6個(gè)通道對(duì)應(yīng)的0°移相和實(shí)際移相幾乎吻合。根據(jù)表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)比圖5，可以得出：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在0°時(shí)天線波束仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果圖形基本相吻合，同理在15°、30°時(shí)同樣成立，設(shè)計(jì)的線性陣列天線性能良好。

圖7 0°移相和實(shí)際移相對(duì)比圖

仿真和實(shí)測(cè)誤差產(chǎn)生的原因是：在線性陣列天線中，為了使每個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的功率在空間進(jìn)行合成，必須保證每個(gè)陣元輸出信號(hào)相位的相關(guān)性，空間功率合成要求各陣元相位穩(wěn)定、一致、可控。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于每個(gè)陣元性能差異、電路設(shè)計(jì)和加工制造差異、設(shè)備工作頻率和周圍溫度以及環(huán)境的變化等各種因素,每個(gè)陣元原始相位一致性很難控制。線性陣列天線每個(gè)陣元之間存在相位特性的不一致性，對(duì)最終天線的波束匯聚位置等指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。改進(jìn)的措施是：對(duì)線性陣列天線每個(gè)陣元加以校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)3個(gè)頻點(diǎn)、4個(gè)掃描角度畫出不同頻點(diǎn)不同掃描角度對(duì)應(yīng)的波束圖，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)10GHz線性陣列天線進(jìn)行了研究，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真、副瓣電平測(cè)試以及將0°移相和實(shí)際移相值畫出曲線圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)幾乎相吻合。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)畫出3個(gè)掃描角度波束對(duì)比圖，和仿真結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該天線性能在10GHz表現(xiàn)良好，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同理，可以通過(guò)同樣的實(shí)測(cè)方法驗(yàn)證在X波段頻段的其他頻點(diǎn)，可見(jiàn)本文提出的在X波段用于電子偵察的線性陣列天線性能良好。該設(shè)計(jì)和分析方法可以為線性陣列天線在電子偵察的應(yīng)用提供參考。■

[1] 凌偉.X波段T/R組件關(guān)鍵部件研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[2] 蔡慶宇,張伯彥,曲洪權(quán).相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)處理教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011:288.

[3] 張蓓蓓.一體化電子偵察系統(tǒng)中分布數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2015.

[4] Pozar DM.微波工程[M].張肇儀,等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社,2006:204.

The design of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance

Wu Tiecheng1,2, Yang Tianyang2, Li Zhijian2, Xiang Bo2

(1.The Second Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation, Beijing 100854,China; 2.No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

The design way of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance is introduced. The linear array beamforming is firstly introduced. Besides, the simulation result and test result are given, and then the result is analyzed. The conclusion is made in accordance with test result and simulation result finally. Simulation results show that the property of antenna is favorable, the minor level of sixteen channels is approximately -15dB according to test result, the zero degree dephasing is almost identical to realistic value, and a figure about antenna beam meets the requirements.

reconnaissance; linear array; antenna; active channel

2017-02-25；2017-04-01修回。

吳鐵成(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

TN82

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