数字阵列天气雷达低副瓣天线设计

谢科

摘 要： 为天气雷达设计一维相扫相控阵天线，方位面副瓣低于-30 dB，波束宽度小于1°，俯仰面接收副瓣低于-40 dB。方位面波束采用窄边波导裂缝阵列天线实现，采用全数字T/R组件精确控制幅度和相位，实现低于-40 dB的俯仰面接收副瓣。测试结果表明，副瓣电平与波束宽度指标与理论值吻合较好，满足指标要求。

关键词： 数字相控阵； 低副瓣； 校正； 天气雷达

中图分类号： TN957?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0020?03

0 引 言

多普勒天气雷达大多采用机械扫描方式进行观测，扫描速度较慢，对快速多变的天气系统（如雷暴、冰雹和龙卷风）的探测不能满足要求。相控阵天气雷达[1?2]可以对指定空域的重点气象目标在一定方位和俯仰范围内进行连续探测，快速得到风暴单体的精细立体结构。要求设计的天气雷达天线工作频率在X波段，相对带宽小于1%，天线极化为水平极化。一维固定波束采用窄边波导裂缝阵列天线[3?5]来形成，一维相扫采用全数字T/R组件控制相位来实现波束扫描。波导裂缝阵列天线容易控制波导裂缝口径面的幅度分布，体积较小，口径面利用效率高，易于实现低副瓣，带宽适中，在雷达中广泛使用。全数字相控阵可实现的最小相移量可以十分小，波束跃度可以非常小，波束指向的实现十分灵活和准确。移相器量化误差非常小，量化副瓣几乎可忽略不计，为实现超低副瓣带来了现实的可能性。

1 天线设计

设计低副瓣的窄边波导裂缝阵列天线，需要若干根等倾角的波导裂缝线源组成平面阵列，精确确定在阵列互耦条件下的增量电导和缝隙的谐振长度。以前通常采用试验来获得这些数据，费时费力而且成本较高。随着商业电磁仿真软件的迅速发展，现在可采用HFSS仿真来获得这些数据，考虑互耦影响，先在HFSS建立实际设计阵列条件下的等倾角的5根裂缝波导组成的阵列进行仿真，获得该倾角条件下的缝隙谐振长度和增量电导。同理可获得其他倾角条件下的缝隙谐振长度和增量电导。然后根据需要的电导分布来确定每个缝隙的倾角和切入深度，在HFSS中建立波导缝隙阵列天线的仿真模型，对波导裂缝天线电性能进行仿真计算。窄边波导裂缝线源如图1所示。

为了满足方位面波束宽度小于1°和副瓣电平优于-30 dB的要求，缝隙间距选取约0.675λ（λ为工作波长），缝隙数量102个，口径幅度分布选择副瓣电平为-37 dB、等副瓣个数为6的泰勒分布。幅度分布见图2。

在波导裂缝阵设计中，需将口径幅相分布转换为所需的电导分布。电导分布如图3所示。

垂直面扫描30°，为保证扫描到最大角度时不出现栅瓣，相邻波导裂缝线源之间间距取约0.66λ（λ为工作波长）。根据上述结果，在HFSS中建立5根波导裂缝线源组成的阵列进行仿真，仿真模型示意图如图5所示，方位面方向图仿真结果如图6所示，波束宽度仿真结果为0.98°，最大副瓣电平约-31 dB。

为实现超低的接收副瓣电平，还对各通道的幅度相位一致性提出了严格的要求，必须在系统内提供定标及校正设备[6]。天线校正模式可采用逐一自检的校正方式：接收采用同时逐一自检校正；发射采用分时逐一自检校正。校正系统框图如图7所示。

校正基准在微波暗室采用平面近场法获得，发射校正时，全数字T/R组件选择一个发射通道发射，其他通道关闭，采样架探头走到已打开的发射通道对应的波导裂缝线源中间的正前方，记录接收到信号的幅度和相位，依次完成所有通道的测试和记录，然后对发射通道之间相位进行补偿，在此基础上各测试发射通道到校正T/R之间的耦合幅度相位数据，获得外场使用的发射校正的基准。接收校正跟发射校正类似，不同的是采样架探头发射，全数字T/R组件通过相应的波导裂缝线源接收，需要对幅度和相位都进行补偿。

2 校正及测试结果

接收波束俯仰面要求实现-40 dB的副瓣电平，对幅度和相位的精度控制要求非常高。图8显示的3次接收校正补偿后相位分布。3次接收校正补偿后通道之间相位起伏在±1°之内。在此基础上对天线的方向图进行测试，测试结果如图9所示。

测试结果表明，方位面波束宽度为0.98°，最大副瓣电平为-32.5 dB；俯仰面接收DBF测试最大副瓣约-42 dB，满足指标要求。方位面最大副瓣测试结果优于仿真结果，经分析其主要是由于实际有128根波导裂缝线源组成阵列，比仿真规模大不少，系统对加工误差的容忍能力较大，导致测试结果优于仿真结果。

3 结 语

采用窄边波导裂缝阵列天线，通过HFSS仿真，提取出互耦状态下的不同倾角的谐振长度和电导，在此基础上根据幅度分布确定的电导分布选择裂缝倾角和缝深，在HFSS中建立5元小阵模型仿真，实现方位面低副瓣，缩短了研制周期。

采用微波暗室校正和全数字T/R组件精确控制幅度相位，可实现俯仰面超低接收副瓣。在微波暗室进行校正和天线性能测试，测试结果表明，方位面波束宽度、最大副瓣电平和俯仰面接收副瓣与理论设计结果吻合，满足指标要求。

参考文献

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