一种新型天线波束锐化技术研究

2012-12-03张立东

制导与引信 2012年4期

张立东

（1．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海201108；2．上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海200438）

0 引言

地球表面距离地面20 km～100 km的高度有一层空间［1］，一般卫星运行平台要比这层空间高，而飞机一般低于20 km。因而，目前把这一层空间称为临近空间层。正因为目前绝大多数战斗机或一般的防空导弹无法进入临近空间层，如果我们能够研制出一种飞行平台，平时可以像卫星一样在这一层空间保持运行，关键时刻又可以作为武器的发射平台，发射出导弹之类的武器，实施对地面目标或大气层内目标的快速打击，必然能够出奇制胜，快速掌握战场主动权。

在这一高度上，飞行器采用雷达测高的关键技术之一——就是必须解决测控天线的波束锐化技术，如果对地测控天线波束太宽，就可能同时对准地表的高山与峡谷，从而影响测高精度，而采用天线波束锐化技术可以使测控天线的对地波束更加尖锐，提高分辨率，从而区分出高山与峡谷，有效提高测高雷达的测高精度。

图1 飞行器测控雷达天线波束示意图

1 常规天线波束锐化技术分析

一般情况下，天线的波束宽度与天线工作波长及口面大小有关，天线口径与波长比值越大，天线的波束宽度越小，即天线波束也越尖锐［3］。具体见以下公式（文中以一维线天线为基础进行研究）：

式中：2θ0．5代表天线半功率波束宽度，单位为（°）；λ代表天线工作波长，单位为（mm）；L代表天线辐射口面长度，单位为（mm）。

由式（1）可知，一般要使天线的波束更加尖锐，要么减少天线的工作波长，要么增加天线的辐射口面长度。在实际应用中，由于微波器件及大气窗口的问题，天线的工作波长一般选在8 mm左右。既然天线的工作波长确定了，要使天线的波束更加尖锐，由式（1）可知，剩下的唯一途径就是加大天线的辐射口面长度。

但考虑到该天线是用于临近空间飞行器的对地测高作用，由于该飞行器的速度很快，而临近空间还是存在一些稀薄的空气，对飞行器存在一定的气动加热作用，因而飞行器外表面必须采用一些防热或隔热材料。

要使毫米波能正常穿透这一层防热或隔热材料，可能需要在这一层材料上开出一些窗口。如果窗口太大的话又可能影响它的防热或隔热性能，所以天线辐射口面大小也存在一定的限制。

假定飞行器飞行高度在30 km，天线波束对地分辨率要求为100 m，则可以计算出天线的半功率波束宽度θ0．5必须小于0．19°，代入公式（1）计算出天线口径长度L至少必须为2 126 mm，可以想象，要在临近空间飞行器上开这么大一个天线窗口，其困难是可想而知的。

可见采用常规技术很难产生满足要求的尖锐波束，目前已经发展出一种合成口径天线技术，它采用一种信号处理方法来产生等效的大口径天线，从而取代实际的大口径天线，即采用小口径天线在飞行过程中的每一个位置发射一个信号，并接收相应发射位置的信号，将它们的幅度与相位信息存储起来。

当小口径天线移动一段距离Leff后，存储的信号和和实际线阵天线收到的信号非常相似，因此若对存储信号采用矢量相加的运算，就可以获得很长的等效口径作用，这就是合成口径天线技术［2］。

而且，合成口径天线中，由于仅由一个天线发射接收信号，所以来回的相移在形成有效辐射方向图中均起作用。因而合成口径天线的半功率波束宽度计算公式为［2］

由此可以看出，通过合成口径天线技术，可以方便地解决测控雷达在飞行方向上的波束锐化问题，但是，对于在与飞行方向正交维上的天线波束锐化问题，这一方法并不适用。

2 新型波束锐化技术研究

针对飞行方向的正交维方向上，必须想法解决测控雷达天线波束锐化问题，以提高飞行器测控雷达在这一维的分辨率。

众所周知，单脉冲雷达采用单脉冲天线的和差波束来实现对目标的搜索与精确跟踪定位功能，就是利用了天线差波束的极窄的视角特性。现设想在飞行方向正交维的方向设计一根40单元的线阵天线，使其主波束略向左偏θ1，与其并列放置另一根40单元的线阵天线，使其主波束略向右偏θ1，把这两根天线信号相加，可以得到一个和波束方向图，如图2所示。

图2 两根天线信号相加后得到和波束方向图

把这两根天线信号相减，可以得到一个差波束方向图，如下图3所示。

图3 两根天线信号相减后得到差波束方向图

现将图2与图3重迭在一起，如图4所示，仔细分析图3可以发现，如果把和波束减去差波束，理论上可以得到一个十分尖锐的方向图，结果如图5所示。

图4 和差波束方向图迭加在一起效果图

图5 原和波束的主波束方向图局部

为了可以看得更加仔细，图5与图6都进行了局部放大处理，突出了主波束角，首先由图6可见，原和波束半功率波束宽度约为3．4°，而经过信号处理后的主波束方向图的半功率波束宽度如图5所示，要远远小于3．4°。

经理论分析与计算，可发现通过一定的信号处理方法，可以以一个较小的天线辐射口面得到十分尖锐的波束，因为在8 mm波段，一个40单元的天线，其辐射口径长度仅约300 mm左右。

那么在实际工程应用中能否真正实现这一构想，有必要通过半实物仿真来进一步验证这一技术方法的可行性。

3 半实物仿真分析

图6 经信号处理后的主波束方向图局部

按上述计算，设计两根40单元的波导缝隙线阵天线，天线模型如图7所示，其中一根天线的波束图略向左倾1．1°，另一根天线略向右倾1．1°，并设计一个和差器进行信号加减。

图7 两根波导缝隙线阵天线模型图

通过电磁场仿真软件进行半实物仿真计算，分别得到一和波束方向图如图8与差波束方向图如图9所示。

图8 两根天线信号相加后得到和波束方向图

对图8和波束方向图进行局部放大处理，如图10所示，经分析和波束半功率宽度约为3．42°，与上述理论分析结果十分接近，再经过波束锐化处理得到图11所示锐化的主波束方向图。经分析锐化的主波束半功率波束宽度约为0．048°，远远小于和波束宽度3．42°，甚至也小于0．19°的最小分辨率要求。根据这么小的半功率波束宽度，可以反算出测控雷达的地面分辨率可以达到30 m左右。