一種基于有限掃描六波束相控陣天線的設(shè)計

林 鑫，白曉坤，王 洪，馬 羽，張?zhí)鞓?/p>

(1.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109 ；2.空裝駐上海地區(qū)第一軍代室，上海201109)

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)有搜索和跟蹤2種基本工作方式[1]。目前，一般搜索任務(wù)與跟蹤任務(wù)分別由搜索雷達(dá)與跟蹤雷達(dá)完成，這樣設(shè)備量較大，為設(shè)備轉(zhuǎn)場等增加工作量。本文詳細(xì)介紹了一種基于有限掃描的雙波束相控陣天線的工作原理、設(shè)計方法以及相控陣接收方向圖實測結(jié)果。該相控陣為搜跟一體化雷達(dá)天線陣面，將搜索雷達(dá)天線陣面和跟蹤雷達(dá)天線陣面合二為一，其在俯仰維具有高低2組波束，每組波束中含有和波束、俯仰差波束以及方位差波束[2-3]。2組波束俯仰維之間的分離角等于接收和波束的3 dB波束寬度。該相控陣傾角為25°，2組接收波束在0°～ 70°范圍內(nèi)同步電掃描，同時，其具備二維掃描能力。法向狀態(tài)時(即不通過TR移相產(chǎn)生的指向偏離)和波束二維副瓣低于-30 dB，俯仰差與方位差副瓣低于-18 dB，極限掃描角副瓣略有下降。

1 有源子陣設(shè)計

為了在有限空間內(nèi)實現(xiàn)天線二維大角度掃描不出現(xiàn)柵瓣，天線單元采用三角排布[4]，如圖1所示。

圖1 有源子陣排布方式示意Fig.1 Layout of active subarray

式中，dx為水平單元間距；dy為俯仰單元間距；θx為方位最大掃描角；θy為俯仰維最大掃描角。

綜合天線波束寬度要求、陣面口徑限制以及接收網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，方位維取6單元，俯仰維取4單元，因此子陣大小為162 mm×136 mm。

有源子陣實物圖如圖2所示。有源子陣集成了TR組件、電源板、激勵器板以及子陣2分6功分器等器件，通過2分6功分器，在子陣級實現(xiàn)高低波束分離[5]。

圖2 有源子陣實物Fig.2 Active subarray picture

2 天線陣面構(gòu)型設(shè)計

相對于傳統(tǒng)的矩形陣面排布，本文論述的天線陣面的有源子陣采用三角錯位排布，通過布局有源子陣位置，使得相鄰輻射子陣間錯位為輻射天線子陣長度的一半。由于二維平面陣的遠(yuǎn)場波束特性是輻射陣面幅相特性的二維傅里葉變換[6-7]，進行子陣級的錯位，可以破壞原有周期性，從而導(dǎo)致波束在UV空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，有效降低有限掃描的柵瓣。

圖3 有源子陣三角排布方式Fig.3 Triangular arrangement of active subarray

3 接收網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 接收網(wǎng)絡(luò)工作原理

每個子陣由2分6功分器分出2路信號，分別送入低波束功分網(wǎng)絡(luò)和高波束功分網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

和差一體化網(wǎng)絡(luò)的和端口到各個出口為等幅輸出，差端口到各個出口幅值滿足準(zhǔn)貝利斯分布，結(jié)合TR組件衰減，實現(xiàn)修正泰勒和加權(quán)和貝利斯差加權(quán)網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計；低波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)和差口到各個端口相位實現(xiàn)等相(φ)遞增，高波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)和差口到各個端口相位實現(xiàn)等相(φ)遞減；低波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)和差口到偶數(shù)端口的相位比到奇數(shù)端口的相位大φ/2，高波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)和差口到偶數(shù)端口的相位比到奇數(shù)端口的相位小φ/2;低波束俯仰差1分8功分器與高波束俯仰差1分8功分器均為等幅輸出，相位特性與高、低波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)一致，即總口到偶數(shù)端口的相位比到奇數(shù)端口的相位大φ/2或-φ/2。

圖4 天線接收網(wǎng)絡(luò)原理Fig.4 Schematic diagram of antenna receiving network

3.2 高波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)理論，N單元直線陣如圖5所示。

圖5 N單元等間距直線陣Fig.5 N-element equidistant linear array

其波束指向θ、相鄰單元相位差ξ、單元(子陣)間距d存在以下關(guān)系：

ξ=βdsinθ≈βdθ。

(1)

對于泰勒線陣[9]，存在以上關(guān)系：

(2)

當(dāng)高低和波束相交處指向法向的時候，高、低波束的波束指向分為雙波束分離角一半-θ/2和θ/2，根據(jù)使用要求，雙波束分離角等于波束寬度，則式(1)中θ等于式(2)中的HP。

由式(1)、式(2)可得式(3)：

(3)

對于已知泰勒線陣[8]，σ，L，R均為定值，則ξ也為定值，這就要求相鄰單元相位差在工作頻段內(nèi)保持一致。

根據(jù)式(1)可得，ξ=-47°，即φ=ξ/2=-23.5°。

對于高波束而言，各個有源子陣的輸入相位自下而上，相位等相遞增，即以1端口為基準(zhǔn)，各個端口的相位差為0°，-23.5°，-47°，-70.5°，-94°，-117.5°，-141°以及-164.5°。

為了實現(xiàn)差波束-18 dB低副瓣，需結(jié)合TR組件衰減而得到泰勒分布，使得差電流分布為準(zhǔn)貝利斯分布。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，差口到各個有源子陣輸入電流幅度自下而上分布為1，1，0.25，0.01，0.01，0.25，1，1；而和口到各個有源子陣輸入電流為等幅輸入即可。

高波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)采用功分器多層板間互聯(lián)結(jié)構(gòu)[9]，上下電路均為帶狀線結(jié)構(gòu)形式，其電路示意如圖6所示。

(a) 網(wǎng)絡(luò)上層電路

(b) 網(wǎng)絡(luò)下層電路

仿真結(jié)果如圖7、圖8、圖9和圖10所示。由圖7可知，和口到各個端口為等幅輸出，-9.4±0.3 dB;由圖8可知，和口到各個端口相位以23.5°等差值遞增;由圖9可知，差口到各個端口幅度為-8.3，-8.3，-11.5，-19.5，-19.5，-11.5，-8.3，-8.3 dB，從而保證其電流分布滿足1，1，0.25，0.01，0.01，0.25，1，1；由圖10可知，差口到 1～4端口相位與和口一致，差口到 5～9端口相位與和口到5～9端口相位差180°。

圖7 和口到各個端口幅度分布Fig.7 The amplitude distribution of the sum port to each port

圖8 和口到各個端口相位分布Fig.8 The phase distribution of the sum port to each port

圖9 差口到各個端口幅度分布Fig.9 The amplitude distribution of the difference port to each port

圖10 差口到各個端口相位分布Fig.10 The phase distribution of the difference port to each port

3.3 其他和差一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

低波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)、低波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)以及高波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)其設(shè)計原理與低波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)基本一致，區(qū)別在于各個出口的相位不同。低波束俯仰和差一體化網(wǎng)絡(luò)和口到各個端口相位以23.5°等差值遞增；低波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)，以1口為基準(zhǔn)，和口到各個端口的相位分別為0°，11.75°，0°，11.75°，0°，11.75°，0°，11.75°；高波束方位和差一體化網(wǎng)絡(luò)，以1口為基準(zhǔn)，和口到各個端口的相位分別為0°，-11.75°，0°，-11.75°，0°，-11.75°，0°，-11.75°。所有的和差一體化網(wǎng)絡(luò)差口到 1～4端口相位與和口一致，差口到5～9端口相位與和口到5～9端口相位差180°。

4 測試驗證

結(jié)合上述有源子陣與射頻網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出的相控陣實測結(jié)果如圖11～圖19所示。所有的測試均在平面近場中完成。

圖11 法向狀態(tài)高低波束俯仰和方向圖Fig.11 Sum elevation pattern of the high and low beam in normal state

由圖11可知，雙組波束的分離角與設(shè)計吻合很好，為2.99°。由圖12～圖15可知，法向狀態(tài)方向圖副瓣為-30.9 dB，俯仰差副瓣為-23.2 dB，方位差副瓣為-18.4 dB；由圖16～圖19可知，俯仰維掃描到極限角度45°時，有限掃描產(chǎn)生的柵瓣略有抬高，和波束最大副瓣抬升到-25.5 dB，俯仰差副瓣抬升到-16 dB，滿足各項戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。

圖12 法向狀態(tài)低波束俯仰和差方向圖Fig.12 Sum and difference elevation pattern of the low beam in normal state

圖14 法向狀態(tài)高波束俯仰和差方向圖Fig.14 Sum and difference elevation pattern of the high beam in normal state

圖16 俯仰掃描45°低波束俯仰和差方向圖Fig.16 Sum and difference elevation pattern of the low beam in 45°elevation scanning

圖13 法向狀態(tài)低波束和差方位方向圖Fig.13 Sum and difference azimuth pattern of the low beam in normal state

圖15 法向狀態(tài)高波束和差方位方向圖Fig.15 Sum and difference azimuth pattern of the high beam in normal state

圖17 俯仰掃描45°低波束和差方位方向圖Fig.17 Sum and difference azimuth pattern of the low beam in 45°elevation scanning

圖18 俯仰掃描45°高波束俯仰和差方向圖Fig.18 Sum and difference elevation pattern of the high beam in 45°elevation scanning

圖19 俯仰掃描45°高波束和差方位方向圖Fig.19 Sum and difference azimuth pattern of the high beam in 45°elevation scanning

5 結(jié)束語

通過對陣面的合理排布、有源子陣有效劃分以及射頻網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計等方法，使得天線陣面具備同時六波束功能，其二維和副瓣均優(yōu)于-30 dB，差副瓣優(yōu)于-18 dB。同時，后續(xù)可對有源子陣進行適應(yīng)性改進設(shè)計，使其后端可直接接入數(shù)字接收機，該相控陣即可成為數(shù)字多波束相控陣，為后續(xù)數(shù)字相控陣設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。