一种双波束同步扫描相控阵天线的设计

蒋凡杰，倪文俊

(中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802)

0 引言

介绍了一种双波束同步扫描相控阵天线的工作原理、设计方法及其实际测试结果，该天线具有两个同时波束，分别称为A波束和B波束，两波束之间的夹角为 ΔθAB，两波束可以在方位 ±50°范围内作同步电扫描，相同扫角下不同频率的A、B波束之间的夹角保持不变，从而可以用幅度比较的方法对±50°范围内的目标实现测向接收或跟踪。该天线的主要技术指标如下。

1 天线阵设计

根据天线工作频率和极化方式，选用对数周期偶极子作为天线阵的单元。根据所要求的天线增益、波束宽度和扫描范围，采用32×8共256个单元的面阵结构，水平方向单元间距dx=60 cm;垂直方向相邻两列单元上下错开半个单元间距，形成三角形排列方式，垂直方向单元间距dy=150 cm，天线阵面总尺寸约为19.2 m×12 m。

由于天线阵面很大，为便于安装，在结构上将整个阵面分为16个框架，每个框架内包含16个天线单元及射频和供电接口，阵面中央装有一个多波束机箱，用于形成所需的双波束，并具有波束扫描控制功能。

2 馈电网络设计

根据相控阵理论［1］，N单元均匀直线阵如图1所示，单元间距dx，波束指向θs与阵内由移相器提供的各相邻单元的相位差ΔΦ有如下关系

式中，θs为波束指向;dx为单元间距;ΔΦ 为相邻单元之间的相位差，通常由移相器实现。

图1 N单元均匀直线阵

相控阵天线除采用移相器产生相位差外，还可以采用延迟线(传输线)来实现相位差，这时相邻单元的路径差ΔL与天线阵波束指向Δθs的关系为

如果同时采用移相器和延迟线产生相位差，即在相邻天线单元相位差ΔΦ的基础上再增加一个路径差ΔLA，则天线阵的波束指向将在θs的基础上再产生ΔθsA的偏移。此时，波束指向θB与ΔΦ和ΔLA的关系为

根据该原理设计的双波束馈电网络如图2所示。

将天线阵中每一列经过列馈合成，作为行馈的天线单元，每一单元先接接收前端和移相器，然后接1∶2功分器，功分器输出分别经过长度为LA1、LA2、LA3、…、LA32和 LB1、LB2、LB3、…、LB32两组电缆后由两个1∶32功分器形成A、B两个波束。移相器用于控制波束扫描，使天线阵主波束指向θs方向，两组电缆的长度分别满足

图2 双波束馈电网络

两组电缆中相邻两根的长度差相同，电缆长度分别为依次递增和依次递减，使A、B波束的指向在θs方向基础上分别产生对称的偏移ΔθsA，A、B波束之间的夹角为

设计中，移相器采用5 bits数字移相器，提供波束扫描所需的相位;A、B波束的夹角由电缆长度差实现，由式(3)计算两波束夹角为5°时的电缆长度差为

式中，εr=2.1为所用电缆介质的相对介电常数。

3 低副瓣设计［2］

作为侦察接收天线，通常要求低副瓣设计。对于阵列天线，低副瓣设计的常用方法有契比雪夫综合法、泰勒综合法等多种。采用泰勒综合法进行低副瓣设计。泰勒方向图的归一化表达式为

式中，z=uL/λ，L 为天线口径。

产生泰勒方向图所需的口径分布可以展开成一个傅里叶级数

式中，－L/2≤x≤L/2。

天线阵方位面副瓣电平的指标要求为－20 dB，考虑到幅相误差和互耦影响，对于32单元直线阵，按照副瓣电平－25 dB设计，等副瓣数选5，计算得到中心对称的32个馈电电流加权系数为［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 余割方向图赋形设计

天线俯仰方向图余割赋形设计有利于探测目标，对于阵列天线常用的赋形设计方法有傅里叶变换法、伍德沃德综合法、交错投影及功率方向图综合法等。选择傅里叶变换法进行余割方向图综合设计。

由于设计的天线阵为三角形栅格排列，设计时可将列馈方向上看作是16单元等间距排列的直线阵，即单元数N0=16，单元间距为dy=75 mm=0.5125λ(中心频率)。设计中，选择的俯仰方向图样本函数为［3，4］

该方向图在仰角0°～5°之间为等强度设计，在5°～40°之间为余割赋形设计，其余仰角上方向图同E0(θ)，E0(θ)为主副瓣比为 r=30 dB=5的泰勒方向图。

利用傅里叶变化法计算满足该方向图的各单元的复加权系数为

各单元幅度加权系数为

各单元的相位为

以度数表示为

利用上述设计公式计算所得的16单元自下而上的馈电电流幅度和相位分别为

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］

幅度中心对称;相位绝对值中心对称，符号相反。

5 设计计算与实测结果

根据以上参数设计出的天线阵方位面仿真计算方向图如图3(a)～(f)所示。俯仰面仿真计算方向图如图4(a)～(b)所示。

方位面方向图的测试在外场完成，测试距离约为250 m。190 MHz时的A、B波束方向图实测结果如图5所示，波束扫描角分别为 0°、±10°、±20°和±30°，共7组波束，实测的7组双波束记录于同一坐标下。

从测试结果可以看出，扫描过程中，A、B两波束的幅度差在1 dB以内，波束指向与设计值吻合很好，而最高副瓣电平为－20 dB，满足设计要求。但实测方向图的副瓣与仿真计算结果有一定差别，除了各天线单元的幅度相位分布与设计值有偏差外，还受到测试环境的影响，特别是天线阵周围地物环境的影响，在此不作赘述。

图5 Freq=190 MHz实测方向图

俯仰面的测试由于天线阵面巨大，无法在外场进行远场测试。为此，按照设计的幅相分布，专门制作了一套1 ∶10缩比模型阵列，频率范围为1.5～2.6 GHz，在微波暗室测试出的俯仰方向图如图6(a)～(b)所示。

从图中可以看出，俯仰面上，缩比模型的实测方向图与实际天线的设计计算方向图在相应频率点上相当吻合。实际天线阵的馈线系统(包含有源的微波前端)幅相分布测试值与设计值的偏差为:幅度0.35 dB(r.m.s)、相位5°(r.m.s)，据此可以推断实际天线阵俯仰面的方向图与预期的余割赋形值较为吻合。

190 MHz时实测的天线方位面半功率波束宽度在不扫描时为5.5°，扫描到 ±30°时为 6°，增益均在28.5 dBi以上。

6 结语

详细介绍了一种双波束同步扫描相控阵天线的设计方法。通过利用阵列天线幅度相位易于控制的优点，使该天线具有方位面低副瓣和俯仰面余割赋形的波束;通过多波束网络，使天线阵在射频上直接形成两个交叉波束。在天线测试中，也采用了外场实测与缩比模型相结合的测试方法。这些方法对于大型相控阵天线的研究与设计具有较高参考价值。这种体制的天线可用于目标的侦察定位和跟踪，在电子对抗领域具有广泛应用。

［1］张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］林昌禄主编.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［3］汪茂光，吕善伟，刘瑞祥.阵列天线分析与综合［M］.成都:电子科技大学出版社，1989.

［4］孙茂友.离散阵的 W-S综合法—Woodward法改进［J］.电波科学学报，1995，10(1.2)，166-171.