雷达导引头天线技术发展趋势探讨

孙 阳，翟龙军

（海军航空工程学院 新装备培训中心，山东 烟台 264001）

天线是雷达导引头的主要能量转换器件，它将发射机产生的导波场转换成空间辐射场，并将目标反射的空间回波能量转换成导波场，通过传输线馈送给接收机。天线设计在雷达导引头设计中具有举足轻重的地位，因此天线技术是雷达导引头技术的重要组成部分。

雷达导引头天线的发展经历了线天线 （相位干涉仪天线）、面天线和阵列天线3个主要阶段，目前反射面天线在雷达导引头天线中占主导地位。本文在回顾了反射面天线技术的发展过程的基础上，着重探讨了阵列天线技术，包括波导裂缝阵天线技术、有源相控阵天线技术以及共型天线阵技术在雷达导引头中的应用及其发展趋势。

1 反射面天线技术

面口径天线较早的出现是在19世纪末。1888年Hertz设计了一部抛物柱面天线。直到20世纪30年代，随着高频源的出现，面口径天线才得到了发展，出现了类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线。同时，面口径天线的理论研究也取得了很大的进展，几何光学法、物理光学法和口径场理论都相继建立。20世纪50年代，反射面天线技术进一步得到发展，出现了很多大型抛物面天线，如美国研制成功的第一部精密测试雷达天线。这一时期，各种单脉冲天线相继出现。20世纪50年代以后，计算机技术、半导体技术、精密加工技术的进步，为雷达导引头天线理论和技术发展提供了有利条件，出现了卡塞格伦、格力高利双反射面天线、正负反射面修正技术、偏馈技术、以及波纹喇叭等高效馈源，反射面天线的性能得到了进一步提高。

反射面天线的主要缺点是机械扫描时惯性大、数据率有限、信息通道数少，不易满足雷达导引头更高性能的要求。尤其是由于雷达导引头天线抗干扰的需要，要求天线应该具有较低的副瓣电平，而要利用反射面天线技术实现较低的副瓣电平较为困难[1-2]。

但是，由于反射面天线具有馈电简单、设计容易、成本较低，尤其是能形成高增益和较好方向性的波束。因此，在今后的雷达导引头天线技术中，反射面天线技术仍占有不可取代的一席之地。

2 波导裂缝阵天线技术

波导裂缝天线的研究始于20世纪40年代末期。早期的研究，由于受到计算工具的限制，多集中在波导裂缝单元特性分析方面，随着仿真和测试手段的改进及雷达技术发展，在20世纪70～90年代期间，平板裂缝天线的理论研究和工程设计技术得到了蓬勃发展，现在平板裂缝天线无论是在设计方法还是生产工艺都已经进入相当成熟的阶段[3]。我国从20世纪70年代开始进行波导裂缝天线的研究，在理论分析、设计方法、实验研究和加工工艺等各个方面都作了大量卓有成效的工作。20世纪90年代中期，我国研制成功了一部S波段，双副瓣、双子频段工作的波导裂缝频扫阵列天线，用于三坐标雷达。

波导裂缝天线作为阵列天线的一种，其主要工作原理是在波导宽壁或窄壁上开有裂缝，切断波导壁上的工作电流，从而形成向外辐射的电磁场。波导裂缝的辐射强度和相位可以由裂缝偏置（或倾角）的大小和方向来控制。在一根波导上规则排列的多个裂缝构成线阵天线，在平面上将波导裂缝线阵按照一定的间距排列形成面阵。通过对每根波导的激励和裂缝倾角的控制，就可以得到一个可控的二维口径分布，产生期望的波束。

典型的平板裂缝天线结构如图1所示。

图1 典型平面裂缝天线结构Fig.1 A typical planar antenna structure cracks

波导裂缝天线具有高增益、可以实现较低的副瓣电平，设计和加工相对容易，可以实现较小的体积，成本相对较低，因而在机载、弹载雷达中得到了广泛的应用。目前国际上机载火控雷达所采用的天线形式主要是平板裂缝天线。在雷达导引头方面，国外已经有多种型号的导引头采用了平板裂缝天线。可以预测，平板裂缝天线将会是今后雷达导引头天线的一种主要形式。

3 有源相控阵天线技术

相控阵雷达天线波束可以由计算机控制，在探测空间进行无惯性、灵活扫描。这一特点给相控阵雷达带来了许多特有的功能，如高数据率、边扫描边跟踪能力、利用时间分割技术实时跟踪多个目标等。由于设备庞大、造价高等因素，早期的相控阵雷达主要应用于空间探测和远程预警系统。近二十年来，半导体器件、各类功率晶体管、集成电路、计算机等技术的突飞猛进，极大地推动了相控阵技术的发展，也降低了相控阵成本。目前，一些民用雷达，如空中交通管制系统中的微波着陆雷达、气象雷达等已开始采用相控阵技术。军事上，相控阵技术也已逐渐应用于各种战术雷达，如搜索、引导、火控及制导雷达等。近年来，雷达导引头天线也在向相控阵方向发展，但若要将相控阵天线应用于雷达导引头中，则必须进一步降低成本、减小体积、提高效率。

传统无源相控阵天线采用功率分配网络将单个信号源产生的信号分配到各个阵列单元，然后利用移相器控制单元间的相位差实现激励信号在天线阵面的特定相位分布。无源相控阵的设计是以移相网络和功率分配网络为核心，通过控制天线阵列的几何形状及天线口径激励信号的幅相分布来控制波束的形状及波束指向。无源相控阵天线具有设备庞大、功率分配网络及移相网络的功率损耗大、响应速度慢等特点，因此，在雷达导引头中应用无源相控阵天线尚有一定难度。

为了解决以上问题人们倾向于采用基于T/R组件的有源相控阵天线。有源相控阵天线的每个阵列单元接有一个发射机/接收机前端（即T/R组件），其天线阵面包含了大量的有源部件。有源天线阵结构如图2所示。

图2 有源相控阵天线结构Fig.2 Active phased array antenna structure

有源相控阵天线的重要组成部分之一是安置在每一天线单元上的T/R组件。一个典型的T/R组件由移相器、收发开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器、波控器等部分组成。实际上，一个T/R组件就是一部小型的雷达发射/接收机。基于T/R组件的有源相控阵天线将有源部件集成到天线阵面，减少了馈线引起的功率和信号损失。尽管如此，有源相控阵控制天线波束扫描的方法没有改变，仍然采用移相器控制天线阵面的相位分布。为了减小体积，T/R组件中通常采用数字式相移器，这更增加了插入损耗。由于空间的限制，将移相器网络、功率分配网络及其控制网络集成到小型阵列平面上有很大难度，这也使有源相控阵天线的散热问题更加严峻。此外有源相控阵天线比无源相控阵天线更加昂贵，据计算有源相控阵天线占整个相控阵雷达成本的60%左右。尽管如此，国外对有源相控阵天线应用于雷达导引头做了许多有益的尝试，并且取得了许多成果。2003年5月，英国德奎奈蒂克公司在世界上首次对相控阵雷达导引头传感器进行了 “闭环”试验；德国已经将相控阵雷达应用于雷达导引头，雷达导引头配置有源相控阵天线示意图如图3所示。

图3 雷达导引头配置有源相控阵天线示意图Fig.3 Radar seeker active phased array antenna configuration diagram

无源及有源相控阵天线的共同症结是移相器的存在，而非线性有源天线阵能有效地克服传统相控阵天线的上述缺点。主要由于非线性有源天线阵不是依靠移相器网络实现波束扫描与波束形成，而是根据非线性动力学原理，应用耦合振荡器阵列的注频锁相技术 （injection-locking technology）或互注频锁相技术（multi-injection-locking technology）同步天线阵中各振荡器单元，产生相干射频信号进而形成相对相移，实现天线阵波束扫描和波束形成。这种非线性有源天线阵不用移相器，只需控制阵列中振荡器单元的自由振荡频率就能对阵面的幅相分布进行控制。这种天线阵的最大优点是：低功耗、控制简单、体积小、重量轻、成本低、容易实现数字化，易于在雷达导引头中采用[3-10]。

非线性有源天线阵的研究始于对耦合振荡器的研究。17世纪人们发现了对两个互相耦合的钟摆的同步现象，之后人们对生物、化学、电子等领域周期运动的振子之间的耦合现象进行了研究。1946年，Adler发表了第一篇论述微波振荡器的注频锁相现象的论文，提出了Adler方程，表明如果微波振荡器在注入信号存在的情况下，振荡器可以与注入信号达到同步并且形成固定的相位差。1993年York及其领导的研究小组又发展了前人取得的成果，通过调节阵列两端单元自由振荡频率的方法来建立阵面线性相位分布，这样相邻单元间最大相位差可以达到180°。至此，非线性有源天线阵的基本理论得到确立。

近几年来，国外许多学者致力于该项研究，涌现了大量研究成果，但大多数均停留在实验室阶段。美国空间及海战系统中心航海应用科学部的混沌及动力学应用研究小组研制了应用于GPS的耦合振荡器有源天线阵来对抗宽带阻塞式干扰。该天线的研制融合了非线性动力学、有源天线、模拟微电子技术等领域的新进展，通过耦合振荡器阵列来进行波束扫描及波束形成。另外，由于天线单元布局紧凑，单元间的互耦提高了整个天线阵的性能，可以得到具有更好的方向性以及能产生更多更深零点的新一代天线，并且该天线的输出信噪比较高，波束扫描及波束形成灵活简单。他们已经研制出了工作于10 GHz的基于微带天线技术的4×1单元的有源天线阵实验系统，如图4所示。

图4 基于耦合振荡器阵列的有源天线阵Fig.4 Coupled oscillator arrays based on the active antenna array

加利福尼亚大学电子技术及计算机工程部的York实验室致力于微波、毫米波新型电路和新器件及其应用研究，他们将耦合振荡器阵列应用于准光学功率合成、高效率放大器以及耦合振荡器有源天线阵中。图5是利用耦合振荡器阵列驱动矩形微带贴片天线阵实现的6×1单元的耦合振荡器有源天线阵，其工作频率为4 GHz，可以通过调整两端单元的自由振荡频率实现波束在[-40°，40°]范围的扫描。其主波束指向-5°及40°时天线的方向图如图6和图7所示。

图5 6×1单元的耦合振荡器有源天线阵Fig.5 6×1 unit coupled oscillator active antenna array

图6 主波束位于-5°时理论及实测方向图Fig.6 The direction of graph theory and the measured when the main beam at-5°

图7 主波束位于40°时理论及实测方向图Fig.7 The direction of graph theory and the measured when the main beam at 40°

美国 Georgia理工学院（GTRI）致力于用于 GPS的非线性有源相控阵天线的研究。他们对于二维非线性有源天线阵的相位控制和波束形成理论进行了发展，并制作了二维的25元非线性有源天线阵实验系统，如图8和图9所示。

加利福尼亚大学JPL实验室的Pogorzelski等人致力于非线性有源天线阵连续模型及接收波束形成的研究。如图10和图11是他们制作的9元阵和25元阵及相位测试系统。

图8 GTRI研制的用于非线性有源天线的二维耦合振荡器阵列Fig.8 GTRI developed for two-dimensional coupled nonlinear oscillator active antenna array

图9 GTRI研制的25元阵仿真方向图Fig.9 GTRI developed 25 yuan array simulation pattern

图10 JPL实验室研制的9元和25元耦合振荡器阵列Fig.10 JPL developed the laboratory for 9 yuan and 25 yuan coupled oscillator array

图11 9元阵和25元阵的方向图Fig.11 9 yuan and 25 yuan array array pattern

非线性有源天线阵技术由于不采用移相器实现天线阵元的相位分布控制，因而是有源相控阵雷达小型化、降低成本的一条有效的技术途径。对于雷达导引头而言，由于相控阵天线的诸多优点，采用相控阵天线是雷达导引头天线技术的重要发展方向，而非线性有源天线阵技术为相控阵天线应用于雷达导引头提供了一种可行的技术方案。另外，由于器件水平的原因，耦合振荡器的输出功率较小，需要在将来的研究中进一步解决。

4 共形天线阵技术

由于雷达导引头的特殊工作环境，雷达导引头的天线罩必须根据导弹的空气动力学特性和电磁传播特性进行折衷设计，而这样做的结果是使得导弹的气动性能和电磁性能都不能达到最优。阵列天线的发展以平面阵列为主，但近几年的发展表明共形天线阵是解决上述问题的一条有效途径[11]。共形天线阵技术是指天线阵元的位置按照作战平台的外形配置，并按照阵列天线技术实现波束形成和控制的技术。雷达导引头共形天线阵元的几种可能配置方案如图12所示。

图12 雷达导引头共形天线阵元的配置方案Fig.12 Radar seeker conformal antenna array element configuration

要在雷达导引头中采用共形天线阵，一方面要解决在天线辐射单元分布在复杂曲面上的相位控制和波束合成问题，另一方面要解决天线辐射单元的材料问题。在平面上进行波束合成的技术已经基本成熟，但当天线单元分布在复杂曲面上时，问题将会变得异常复杂，要解析的得到天线单元的相位分配方案非常困难，因此必须借助于其它的复杂分析技术实现。采用共形天线阵时，微带天线是一个选择，但对材料必须有特殊的要求。除了要满足天线带宽等电磁特性的要求外，还必须满足导弹飞行时的耐高过载和高温的要求。

5 结束语

从近几年来美国主导的几场局部战争可以看出，雷达已成为信息争夺的主要技术手段，在现代战争攻、防中的地位越来越重要。雷达导引头作为精确制导武器的主要目标信息探测装置，在针对雷达导引头的电子干扰与欺骗技术、反辐射武器快速发展的战场环境中，受到了严重的威胁，尤其是传统雷达雷达导引头，在电子干扰环境中其性能将受到严重削弱。雷达天线技术作为雷达导引头技术[12]的重要组成部分，从目前技术发展来看，反射面天线和波导裂缝天线在今后一段时间仍占有重要的地位；从长远来看，有源相控阵雷达由于具有灵活的波束与功率控制、快捷的频率与工作模式变化，使其具有探测能力强、截获概率低、抗干扰性能好等优点，必将得到快速发展和应用。非线性有源天线阵技术的出现使得雷达导引头应用有源天线阵的诸多问题得到一定程度的解决，将会极大地推动导引头相控阵天线技术的发展。

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