一種雙波束同步掃描相控陣天線的設計

蔣凡杰，倪文俊

(中國電子科技集團公司第51研究所，上海 201802)

0 引言

介紹了一種雙波束同步掃描相控陣天線的工作原理、設計方法及其實際測試結果，該天線具有兩個同時波束，分別稱為A波束和B波束，兩波束之間的夾角為 ΔθAB，兩波束可以在方位 ±50°范圍內作同步電掃描，相同掃角下不同頻率的A、B波束之間的夾角保持不變，從而可以用幅度比較的方法對±50°范圍內的目標實現測向接收或跟蹤。該天線的主要技術指標如下。

1 天線陣設計

根據天線工作頻率和極化方式，選用對數周期偶極子作為天線陣的單元。根據所要求的天線增益、波束寬度和掃描范圍，采用32×8共256個單元的面陣結構，水平方向單元間距dx=60 cm;垂直方向相鄰兩列單元上下錯開半個單元間距，形成三角形排列方式，垂直方向單元間距dy=150 cm，天線陣面總尺寸約為19.2 m×12 m。

由于天線陣面很大，為便于安裝，在結構上將整個陣面分為16個框架，每個框架內包含16個天線單元及射頻和供電接口，陣面中央裝有一個多波束機箱，用于形成所需的雙波束，并具有波束掃描控制功能。

2 饋電網絡設計

根據相控陣理論［1］，N單元均勻直線陣如圖1所示，單元間距dx，波束指向θs與陣內由移相器提供的各相鄰單元的相位差ΔΦ有如下關系

式中，θs為波束指向;dx為單元間距;ΔΦ 為相鄰單元之間的相位差，通常由移相器實現。

圖1 N單元均勻直線陣

相控陣天線除采用移相器產生相位差外，還可以采用延遲線(傳輸線)來實現相位差，這時相鄰單元的路徑差ΔL與天線陣波束指向Δθs的關系為

如果同時采用移相器和延遲線產生相位差，即在相鄰天線單元相位差ΔΦ的基礎上再增加一個路徑差ΔLA，則天線陣的波束指向將在θs的基礎上再產生ΔθsA的偏移。此時，波束指向θB與ΔΦ和ΔLA的關系為

根據該原理設計的雙波束饋電網絡如圖2所示。

將天線陣中每一列經過列饋合成，作為行饋的天線單元，每一單元先接接收前端和移相器，然后接1∶2功分器，功分器輸出分別經過長度為LA1、LA2、LA3、…、LA32和 LB1、LB2、LB3、…、LB32兩組電纜后由兩個1∶32功分器形成A、B兩個波束。移相器用于控制波束掃描，使天線陣主波束指向θs方向，兩組電纜的長度分別滿足

圖2 雙波束饋電網絡

兩組電纜中相鄰兩根的長度差相同，電纜長度分別為依次遞增和依次遞減，使A、B波束的指向在θs方向基礎上分別產生對稱的偏移ΔθsA，A、B波束之間的夾角為

設計中，移相器采用5 bits數字移相器，提供波束掃描所需的相位;A、B波束的夾角由電纜長度差實現，由式(3)計算兩波束夾角為5°時的電纜長度差為

式中，εr=2.1為所用電纜介質的相對介電常數。

3 低副瓣設計［2］

作為偵察接收天線，通常要求低副瓣設計。對于陣列天線，低副瓣設計的常用方法有契比雪夫綜合法、泰勒綜合法等多種。采用泰勒綜合法進行低副瓣設計。泰勒方向圖的歸一化表達式為

式中，z=uL/λ，L 為天線口徑。

產生泰勒方向圖所需的口徑分布可以展開成一個傅里葉級數

式中，－L/2≤x≤L/2。

天線陣方位面副瓣電平的指標要求為－20 dB，考慮到幅相誤差和互耦影響，對于32單元直線陣，按照副瓣電平－25 dB設計，等副瓣數選5，計算得到中心對稱的32個饋電電流加權系數為［0.250，0.259，0.286，0.330，0.387，0.456，0.531，0.608，0.684，0.755，0.819，0.875，0.923，0.960，0.987，1.000，1.000，0.987，…，0.250］

4 余割方向圖賦形設計

天線俯仰方向圖余割賦形設計有利于探測目標，對于陣列天線常用的賦形設計方法有傅里葉變換法、伍德沃德綜合法、交錯投影及功率方向圖綜合法等。選擇傅里葉變換法進行余割方向圖綜合設計。

由于設計的天線陣為三角形柵格排列，設計時可將列饋方向上看作是16單元等間距排列的直線陣，即單元數N0=16，單元間距為dy=75 mm=0.5125λ(中心頻率)。設計中，選擇的俯仰方向圖樣本函數為［3，4］

該方向圖在仰角0°～5°之間為等強度設計，在5°～40°之間為余割賦形設計，其余仰角上方向圖同E0(θ)，E0(θ)為主副瓣比為 r=30 dB=5的泰勒方向圖。

利用傅里葉變化法計算滿足該方向圖的各單元的復加權系數為

各單元幅度加權系數為

各單元的相位為

以度數表示為

利用上述設計公式計算所得的16單元自下而上的饋電電流幅度和相位分別為

幅度:［0.136，0.183，0.210，0.326，0.390，0.451，0.685，1.000，1.000，0.685，0.451，0.390，0.326，0.210，0.183，0.136］

相位:［33.88，26.54，37.42，39.00，31.62，35.84，35.43，12.90，－12.90，－35.43，－35.84，－31.62，－39.00，－37.42，－26.54，－33.88］

幅度中心對稱;相位絕對值中心對稱，符號相反。

5 設計計算與實測結果

根據以上參數設計出的天線陣方位面仿真計算方向圖如圖3(a)～(f)所示。俯仰面仿真計算方向圖如圖4(a)～(b)所示。

方位面方向圖的測試在外場完成，測試距離約為250 m。190 MHz時的A、B波束方向圖實測結果如圖5所示，波束掃描角分別為 0°、±10°、±20°和±30°，共7組波束，實測的7組雙波束記錄于同一坐標下。

從測試結果可以看出，掃描過程中，A、B兩波束的幅度差在1 dB以內，波束指向與設計值吻合很好，而最高副瓣電平為－20 dB，滿足設計要求。但實測方向圖的副瓣與仿真計算結果有一定差別，除了各天線單元的幅度相位分布與設計值有偏差外，還受到測試環境的影響，特別是天線陣周圍地物環境的影響，在此不作贅述。

圖5 Freq=190 MHz實測方向圖

俯仰面的測試由于天線陣面巨大，無法在外場進行遠場測試。為此，按照設計的幅相分布，專門制作了一套1 ∶10縮比模型陣列，頻率范圍為1.5～2.6 GHz，在微波暗室測試出的俯仰方向圖如圖6(a)～(b)所示。

從圖中可以看出，俯仰面上，縮比模型的實測方向圖與實際天線的設計計算方向圖在相應頻率點上相當吻合。實際天線陣的饋線系統(包含有源的微波前端)幅相分布測試值與設計值的偏差為:幅度0.35 dB(r.m.s)、相位5°(r.m.s)，據此可以推斷實際天線陣俯仰面的方向圖與預期的余割賦形值較為吻合。

190 MHz時實測的天線方位面半功率波束寬度在不掃描時為5.5°，掃描到 ±30°時為 6°，增益均在28.5 dBi以上。

6 結語

詳細介紹了一種雙波束同步掃描相控陣天線的設計方法。通過利用陣列天線幅度相位易于控制的優點，使該天線具有方位面低副瓣和俯仰面余割賦形的波束;通過多波束網絡，使天線陣在射頻上直接形成兩個交叉波束。在天線測試中，也采用了外場實測與縮比模型相結合的測試方法。這些方法對于大型相控陣天線的研究與設計具有較高參考價值。這種體制的天線可用于目標的偵察定位和跟蹤，在電子對抗領域具有廣泛應用。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［2］林昌祿主編.天線工程手冊［M］.北京:電子工業出版社，2002.

［3］汪茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合［M］.成都:電子科技大學出版社，1989.

［4］孫茂友.離散陣的 W-S綜合法—Woodward法改進［J］.電波科學學報，1995，10(1.2)，166-171.