毫米波多功能有源相控阵天线设计与实现

杨亚兵 程 杰 李绪平 姜世波

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某型毫米波有源相控阵雷达系统采用方位±45°宽角相扫、两维单脉冲体制，技术体制先进、性能要求很高。除满足雷达功能外，该系统兼具询问机、主动侦查与干扰等功能，是一部典型的毫米波多功能电子系统。

该系统性能的优劣很大程度上取决于有源进行优化设计［1］相控阵天线的设计性能。因此，为实现多功能、集成化设计要求并满足技术指标，必须综合考虑各种设计要素对有源相控阵天线波导缝隙天线由于具有低损耗、高效率、口径分布易控制，便于实现低副瓣以及结构紧凑可靠等特点，已广泛应用于微波与毫米波雷达、电子战、通信导航等电子系统，是一种常用的天线形式［2-3］。然而，该毫米波有源相控阵天线系统的相对工作带宽约12 ﹪(f0±2GHz)，若采用常规的矩形波导驻波阵很难满足带宽要求，并且由于其波导宽度尺寸的限制，也不利于相控阵天线大角度相扫特性的实现。

基于此，综合考虑工作带宽、极化方式、增益、方位面相扫体制以及整体结构强度、对外电气接口等方面的要求，俯仰维采用单脊波导宽边缝隙［4，5］形式设计线阵元，并以此线阵元在方位维组阵进而得到整个天线辐射阵面。对于有源相控阵天线系统的设计，运用集成一体化设计思路，在电气与结构设计上保证整个系统有机整合。样机实测结果表明，设计的毫米波多功能有源相控阵天线系统性能优良、稳定可靠，进一步证实提出的实现方案合理可行。

1 天线系统设计

毫米波有源相控阵天线的设计需要综合考虑工作带宽、辐射效率和副瓣电平等电气性能，以及可靠性、经济性、实用性等多方因素的限制，从辐射阵面、T/R 组件、馈电网络、系统集成等方面寻求最优化设计。

1.1 系统组成与功能

如图1所示，有源相控阵天线系统主要由天线辐射阵面、T/R 组件、馈电网络、检测校准网络、波控机、DC-DC 二次电源、集成安装框架和散热机构等组成。

图1 相控阵天线系统组成示意图

发射模式下，毫米波信号由频综输出，经预功率放大器放大后，产生T/R 组件所需要的激励功率，通过和口由馈电网络分配后输出给T/R 组件。T/R组件将大功率信号送至辐射阵面，向自由空间辐射。接收模式下，空间信号经过天线阵面接收后，送至T/R 组件放大链路放大，经过馈电网络合成后经和口、俯仰差口、方位差口送至接收机。以此，完成雷达和敌我识别询问机的功能。此外，该天线系统具有主动侦查与干扰功能，接收照射到天线孔径上的非合作雷达信号，并将产生的有源干扰信号发射到指定空域中。

1.2 辐射阵面设计

有源相控阵天线线阵元的辐射波导和馈电波导均选为单脊波导形式，如图2所示。这主要是因为脊波导的截止波长较同尺寸的矩形波导大，即脊波导的单模工作带宽要大于同尺寸的矩形波导。同时，脊波导的尺寸远小于相同工作频率下的矩形波导尺寸，利于方位面大角度扫描特性的实现。

图2 单脊波导及宽边纵缝示意图

天线阵面采用矩形网络布局，阵面规模为24 ×56。整个天线共有56 个线阵单元和112 个T/R 组件，线阵单元沿方位(E 面)以5mm 等间距排列，组成整个天线阵面。

为了实现两维单脉冲功能，需要将整个阵面等分成四个子面阵，即四个象限。每个象限内部的线阵单元先通过T/R 组件模块进行初级合成，再通过功率分配网络实现次级功率合成，最后通过单脉冲网络组合在一起，实现方位、俯仰两维单脉冲功能。

1.3 馈电网络设计

馈电网络除了作为T/R 组件前级的激励网络外，还应具有单脉冲功能。它由四个功率分配网络、一个单脉冲和差网络以及出口转换波导组成。所需设计的功分馈电网络总规模为28 路合成。在每个象限内部先将与T/R 组件模块激励口连接的7 路合成为一路，在将四个象限合成的四路与单脉冲网络连接，进而实现两维单脉冲功能。为了将相控阵天线系统对外电气接口(和口、方位差口以及俯仰差口)置于指定位置，以与其他分系统电气连接，还需要出口转换波导。

由于物理尺寸、加工、装配关系的限制，馈电网络必须设计成平面结构形式，并且要求合理布局，进行小型化设计。图3 为馈电网络仿真图。

图3 馈电网络仿真示意图

2 关键技术分析

2.1 宽带共口径天线设计

由于要满足雷达、询问机以及主动侦查与干扰功能需求，天线共口径宽带化设计是需要着力解决的关键问题。脊波导线阵元辐射缝隙采用驻波子阵形式，合理划分子阵可以展宽阻抗带宽。子阵馈电网络采用并联馈电形式，利于宽带实现。设计中，子阵划分的原则是:并联馈电网络每一级T 型不等幅功分器功分比不能过大。

图4 线阵元结构示意图

依据上述思路，具体的线阵缝隙单元布局及子阵划分如图4所示，可见每一侧划分为四个子阵，缝隙数分别为4、3、3、2，通过两级T 型不等幅功分器可完成合成。

2.2 检测校准网络设计

检测校准网络与整个无源天线阵面集成设计。采用的耦合方式为单孔耦合，即在主波导宽边上开适当尺寸的圆孔，与主波导位置相正交的耦合波导通过该圆孔进行能量耦合。为了不影响阵面性能、不增加整阵厚度等，主波导选为阵面天线单元馈电网络最后一级合成出口的单脊波导，如图5所示。

图5 单孔耦合方式示意图

2.3 主动侦查赋形波束设计

为了满足主动侦查要求的90°宽波束方位面覆盖能力，基于非线性最优化方法—遗传算法，采用仅相位加权为主、幅度加权为辅的方法，对天线方位面波束进行展宽。优化过程中，选择适当的适应度函数，对主瓣展宽倍数、副瓣电平等加以约束，且将移相器量化误差考虑在内。这样的方法，并不增加系统硬件成本以及复杂度，仅仅是通过软件层面改变波控码来控制天线口径幅相分布，从而实现波束赋形展宽。

3 实验验证与结果分析

在方案设计、理论分析与仿真设计的基础上，加工了该有源相控阵天线系统的无源部件，图6 为辐射阵面实物图。

图6 天线辐射阵面实物图

相控阵天线系统各有源无源部件齐套，经装配、调试以及口面场校准后，进行远场性能验证。为了保证足够威力，发射状态有源相控阵天线各通道功率饱和输出。通过对雷达、询问机、主动干扰各功能发射方向图测试可见，总体上发射方向图扫描特性良好，大角度扫描没有出现不期望的方向图变形、甚至性能恶化。但是，当询问机天线波束扫描到±45°时，增益较零指向下降约6dB。这主要是因为询问机工作频率在有源系统频率高端，此时T/R 组件有源器件特性不理想，并且辐射阵面通道有源匹配性能较差造成能量反射。

接收状态有源馈电网络可幅相同时加权，幅度加权可降低副瓣，工程实现采用Taylor 锥削分布。图8 是接收状态下，方位副瓣理论设计32dB 时雷达、询问机中频和波束方向图实测结果。由于各有源通道幅相误差的影响，实测方向图副瓣电平与理论值有所偏差。尽管这样，雷达零指向方向图副瓣电平达到了-30dB，即使在宽角扫描时副瓣电平也能优于-26dB。

图7 方位面发射扫描方向图

主动侦查中心频率方位方向图如图9所示，可见90°角域波束平顶波动6dB，达到玻束赋形的目的。

4 结论

研制毫米波多功能有源相控阵天线系统对于某型雷达技术性能实现至关重要。结合研制要求，本文提出了该相控阵天线系统设计与实现方案，对其从系统组成、工作原理等方面进行了阐述，并对涉及的关键技术进行了详细分析。基于单脊波导宽边缝隙阵形式，合理设计辐射阵面布局。电气与结构设计运用集成化设计思路，优化相控阵天线系统设计。验证试验结果表明，所研制的多功能有源相控阵天线系统具有优良电气与结构特性，可以满总体技术要求。

图8 方位面接收扫描方向图

图9 主动侦查方向图实测结果

［1］孙慧峰，邓云凯，雷宏.一种C 波段宽带二维扫描固态有源相控阵天线设计与实现［J］.中国科学院研究生院学报，2012，(2):282-287.

［2］丁晓磊，徐磊.宽频带高效率平板缝隙天线的研究［J］.遥测遥控.2009，(5):42-48.

［3］Sembia.Waveguide Slot Array Antenna Designs for Low Average Sidelobe Specifications［J］.IEEE antennas and Prop.2010，52(6):89-98.

［4］W.Wang，S.-S.Zhong.A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propa.2006，54(8):2416-2420.

［5］金剑，汪伟，万笑梅.宽带单脊波导缝隙天线阵设计［J］.中国电子科学研究院学报.2007(2):152-154.