一种柱面共形单脉冲相控阵天线

郭斌兴，王 杰，苏宏艳

（毫米波遥感技术重点实验室，北京100854）

0 引言

随着现代军事技术的快速发展，面对高速机动目标和复杂战场环境的威胁，导弹导引头需要具备波束快速扫描、空域滤波、宽视角目标跟踪等能力。柱面共形相控阵天线应用于导弹制导，将带来大离轴发射、大视角空间探测跟踪、快速扫描、增益保持等优点，同时拥有适于多传感器复合制导、提高导弹隐身性等技术优势［1-3］。

柱面共形相控阵天线的研究已有相当长时间。现有天线主要用于地面、舰载和机载的通信或监视雷达［4］，上述平台对于天线安装的空间要求较低，天线波束形成与扫描采用固定馈电的机械转动、开关网络、透镜扫描、数字波束形成等方式，通常收发只需一个和波束。而目前弹载共形相控阵天线的研制还面临着诸多技术难题，尤其是将其应用到单脉冲角跟踪导引头，一方面弹载空间狭小，要实现天线硬件的共形组阵和高密度安装；另一方面还要求柱面共形相控阵天线在波束电扫描、切换馈电区域的同时，实时形成和、差波束，用于导引头测角，功能也更加复杂。本文结合工程需求，设计并研制了一种柱面共形单脉冲相控阵天线，工作于Ku波段。该天线沿圆柱轴向采用常规的相位控制扫描，沿圆柱周向通过特殊的多级馈电和开关网络设计，实现开关切换与相位控制相结合的扫描方式并实时形成和、差波束。

1 天线组成及工作原理

本文设计的弹载柱面共形单脉冲相控阵天线原理样机，包括：柱面相控阵天线阵列、1×8线阵模块（含T／R 组件）、开关网络、馈电网络、和差比较器、波束控制器、电源等，系统原理如图1所示。

天线系统采用模块化方式集成，由N 片1×8线阵模块沿圆柱周向排列组成，所占扇区对应的圆心角为90°。波束扫描时，波束控制器接收外部扫描角度指令（θ，φ），进行处理解算，控制开关网络及柱面共形相控阵天线阵列，选通周向2 M（N＝3 M）片线阵模块，占圆心角60°的柱面扇区为馈电区域，使波束指向指令角度，并将其划分为A、B 两个相互对称的象限用于和差波束形成。波束扫描过程中，阵元工作的通断切换和幅相加权随时变化，由开关网络、功分器等组成的馈电网络与波束控制器共同配合实时解决。

图1 系统原理框图

天线发射时，信号加到和差比较器的Σ 端，激励选通的天线扇区，经过相应功分器和开关网络，馈入到受激励的各列向线阵模块的射频信号口，在模块内经1／8等功率分配到每一个阵元通道；天线接收时，A、B两个象限的接收信号分别输入到和差比较器端口，和差比较器的Σ端输出和信号（A＋B），Δ 端输出周向方位差信号（A-B），用于圆周向单脉冲测角。收发信号通过环形器隔离。

2 天线系统设计

2.1 柱面共形阵组阵方式

柱面共形单脉冲相控阵天线选择“砖块式”组阵方式。如图2所示，N 片1×8线阵模块沿圆柱周向排列，对应圆心角为90°。天线辐射阵元的极化方向平行于圆柱母线，避免了共形带来的交叉极化问题［5］。为尽量减小阵元间互耦影响，同时在扫描范围内不出现栅瓣，天线阵元间距如下：周向d1＝0.6λ，轴向d2＝0.6λ，λ为工作中心频点对应的波长。

适用于共形相控阵天线的阵元形式包括微带贴片天线、偶极子天线、Vivaldi槽线天线等［6］。考虑本系统天线组阵方式及集成要求，如图3所示，辐射阵元采用偶极子天线，带状线馈电，带宽及波束宽度都能满足要求，且制作工艺简单便于集成，与印刷电路工艺兼容。

2.2 T／R 模块

T／R 模块电路设计在LTCC 基板上完成，包括有源芯片、微带功分网络、电源线、控制线等，并集成了阵元天线，其原理框图如图4所示。每个1×8线阵模块包含8路收发通道（T／R），每个通道包含天线辐射阵元、低噪声放大器（LNA）、中功率放大器（MPA）、矢量调制器（VM）和两个单刀双掷开关（SPDT），每个模块采用等功分设计，使得通道的相位和幅度保持一致。

图2 砖块式柱面共形相控阵 天线组阵图

图3 天线阵元示意图

图4 T／R 模块原理框图

2.3 多级馈电及开关网络

对于柱面共形单脉冲相控阵天线，每一瞬时当波束扫描到某一方向时，由于遮挡等因素，并非所有阵元都对主波束有贡献，为避免增加旁瓣电平和降低效率，必须根据扫描角度选通贡献大的部分阵元而关断其它阵元；同时为满足导引头需求，形成单脉冲和、差波束。因此，馈电网络的设计是天线研制的难点［7］。

本天线系统采用收发共用的多级强制馈电网络，包括1×8的T／R 模块（含1∶8功分器）、开关网络、1∶M功分器、和差器等。其中，开关网络为形成和、差波束时进行通道选择的执行机构，是一个连接T／R 模块和1∶M 功分器的网络系统，由2 M个单路选通微波矩阵开关组成。矩阵开关具有体积小、频带宽、隔离度高、带内平坦等技术特点，工作频带内端口驻波小于-10dB，插损小于5dB，各矩阵开关间插损不一致性小于1dB。

整个馈电网络从设计、工艺、加工等方面保证各通道之间信号幅度、相位的一致性，尽量降低馈线损耗，提高耐受功率、通道隔离度。在天线集成后，实测出通道间幅度、相位误差，进一步在波束控制器中进行补偿。

2.4 天线波束扫描控制

柱面共形相控阵天线，波束扫描到不同的方向，需要选择不同的扇区。为实现要求的方向图合成低副瓣及波束精确指向，每一个天线阵元都需要进行独立的幅度和相位加权，且幅度加权系数随目标的位置而变化，进一步增加了波束控制的难度。

本天线波束沿周向扫描时，采用两级控制［8］。

第1级为粗略控制，按照一个周向单元的增量移动，通过开关网络选通、切换不同激励扇区，提供对波束的粗略控制，对应的扫描步长为周向单元的角度间隔。示意图如图5所示。

第2级为精确控制，在选通的激励扇区内对所有阵元进行幅度、相位调制，实现精确控制，使得天线的等相位面始终垂直于波束方向。如图6所示的全局圆柱坐标系下，第（m，n）天线阵元坐标为（R，φmn，zm），波束空间指向角为（θ，φ）。对于每个天线阵元，将上述五个参数代入相应公式，计算被选通阵元的理论相位偏移φmn 。为实现天线方向图低副瓣要求，幅度分布采用切比雪夫或泰勒分布，利用投影法获得柱面内工作阵元的理论幅度激励系数Amn。

图5 切换激励扇区，波束粗略 扫描示意图

图6圆柱坐标系

由于天线不同通道间的实际幅度和相位不一致性等原因，在天线集成后首先进行近场校准，录取相应校准数据ΔAmn、Δφmn ，并装订在天线波束控制器中。则扫描过程中，对每个阵元补偿后的幅、相激励系数为：

波束控制器完成波控指令的接收、处理、解算、分发，控制开关网络和各阵元通道的幅度、相位，进行波束形成和扫描。同时，还具有总线接口扩展以及与其它系统的时序配合、通道电源使能控制等功能。

3 测试结果

集成后的柱面共形单脉冲相控阵天线，分别针对不同馈电区域、不同频段的情形，进行相应工作阵元通道幅度、相位的近场校准测试。经过校准后的天线在天线暗室进行远场方向图测试，包括天线和、差方向图、天线指向精度、天线增益随扫描角变化。

由图7可以看出，本文设计研制的柱面单脉冲相控阵天线在圆周方向波束扫描时，和波束增益基本维持不变，副瓣满足设计要求；差波束零深随不同角度略有起伏变化，但总体上都低于-25dB 的设计指标，能够满足单脉冲测角的要求。

图7 周向扫描不同角度实测和差方向图

4 结束语

本文设计的柱面共形单脉冲相控阵天线，采用模块化设计，实现了在狭小弹载空间中天线的高密度集成。通过特殊的多级馈电和开关网络设计，满足了波束扫描转换馈电区域的同时形成单脉冲测角和差波束的需求。研制成功的天线性能良好，测试结果证明了该设计的可行性和理论分析的正确性，为进一步研制360°全向扫描的柱面共形单脉冲相控阵天线奠定了基础。■

［1］丁武伟，穆仕博，谢光辉.共形相控阵雷达导引头技术研究［J］.飞航导弹，2011（11）：74-78.

［2］宋银锁，马妙技.导引头共形相控阵天线研究进展［J］.航空兵器，2008（6）：44-47.

［3］何庆强，王秉中，殷忠良，等.导引头共形相控阵天线新技术［J］.系统工程与电子技术，2006（12）：1816-1819.

［4］张光义.共形相控阵天线的应用与关键技术［J］.中国电子科学研究院学报，2010（4）：331-336.

［5］束咸荣，等.相控阵雷达天线［M］.北京：国防工业出版社，2007：298-307.

［6］郭斌兴，朱淮城.毫米波相控阵天线单元的分析与比较［J］.电讯技术，2009（1）：92-97.

［7］Miyano N，Suzuki Y，Suzuki I，et al.Cylindrical phased array antenna for SSR-mode S system［R］.European Microwave Conference，1990：1523-1527.

［8］Maillioux RJ.相控阵天线手册［M］.北京：电子工业出版社，2007：156-157.