和差一体化雷达天馈线研究

汤艳燕，王周海，邹永庆，谢　科，2

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥230088)



和差一体化雷达天馈线研究

汤艳燕1，王周海1，邹永庆1，谢科1，2

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥230088)

介绍了一种体积小、质量轻及和差一体化网络的相控阵雷达天馈线系统，实现了方位面同时和差波束。详细介绍了馈线系统的组成与设计，简要介绍了系统的校正方法和校正原理，讨论了影响天线性能指标的误差因素，给出了和差一体化天馈线系统主要指标的设计结果。

雷达馈线系统；和差一体化网络；和差相对幅度；和差相对相位；天线增益；波束指向

0　引　言

本文研究的是一种放置在狭小空间内的和差一体化相控阵雷达天馈线系统，要求体积小、质量轻且适用于机载雷达工作环境。该雷达系统要实现方位面同时和差波束测角，如采用常规的设计需要馈线系统配置一组和波束形成网络、一组差波束形成网络，两套网络加上其他的功能器件，会使得馈线系统的组成和设计非常复杂。综合考虑雷达系统的特殊使用环境，设计时充分考虑减少设备复杂性，整个馈线系统巧妙地与天线阵面集成在一体，有效地减少了雷达的体积和质量，实现了很好的性能指标要求。

1　和差一体化雷达天馈系统组成

1.1天馈系统组成及设计要求

本雷达采用数字波束形成技术，其天馈系统由背靠背雷达天线阵面、T/R单元、波束控制单元、波束合成与分配网络[1]、二次电源等组成。每个有源天线阵面为N根对称波导线源、其单元分别和N只T/R单元相连。有一行波阵列馈源实现有源天线的电流口径分布采样。天线发射时水平面采用均匀加权。该系统只能对和波束进行通道幅相误差校正，使得差波束的幅相误差只能通过网络自身来实现。馈线系统中和差两组波束形成只能采用独立的加权设计。和波束幅度加权由T/R组件内数字衰减器实现，依靠T/R组件的发射功率一致性及相位控制实现天线远区低副瓣。接收时采用幅度加权实现全区域的低副瓣。和波束按Taylor分布加权，差波束馈电网络采用Bayliss分布加权设计。其原理图见图1所示。

图1　和差一体化馈线系统原理图

馈线系统通过合理的布局将和差两套网络巧妙集成在一起进行集成化设计，其主要由和差共面馈线网络组成，也称寄身式和差一体化波束形成网络。1∶N路和差一体化波束形成网络通过T/R单元与天线子阵匹配，见图2所示。其和波束是收发兼用，差波束只用于接收。和差波束的激励方式是采用双重激励，一种激励使各单元相对于主瓣最大值都是同相激励的，以直接产生和方向图。另一种激励把整个阵列以几何中心分成两半，两个半阵列的激励相位相差180°以直接产生差方向图。其设计特点如下：

(1) 子阵设计技术

从图2可以看出，整个系统馈电网络采用分级的子阵式设计技术。即N路馈电网络共分成三级：第1级由若干只1∶3和差一体化波束形成网络组成；第2级由若干只1∶4和差一体化波束形成网络组成；第3级由若干只1∶16和差一体化波束形成网络组成。级与级之间通过低损耗柔软电缆连接。

(2) 共用底板设计技术

第1级和第2级和差一体化馈线网络1和2和差网络均采用共腔体设计，在两套网络的中间共用一块底板，同时底板上开孔以兼作和波束的传输通道，从而减小了体积和质量，节约了馈线系统内部空间。

(3) 微带垂直过渡技术

第3级和差一体化馈线网络3在其薄介质基板上采用了最优化的微带垂直过渡技术，实现了和差通道的电气互联和结构上的分离，提高了网络的集成度，进一步减小了体积和质量，实现了和差网络的一体化设计。

(4) 多种功分器电路统一设计技术

差波束采用有耗网络[2]实现Bayliss分布，简化了单元功分器品种，从而减小了馈线系统的设计难度。

(a) 阵面和差网络示意

(b) 阵面和差波束合成输出示意图

1.2复杂天馈线系统性能指标

(1) 馈线系统驻波

该馈线系统中发射通道和接收通道都由多级馈线元件组成，各个元件的连接很难做到完全匹配。由于这些不匹配节点的存在，电磁波在系统中的反射不可避免。反射波引起的各单元通道之间的幅相一致性对天线的增益、副瓣等都有不同程度影响。所以，要使信号能够在和差通道间反射损耗小，能量能够充分传输，和差通道总口和分口驻波尽量小。

以某一个反射系数|Гp|和在频带内不超过此值的概率P来描述馈线系统驻波[3]。

一般情况下，假定|Гi|在频带内为等概率分布,则|Г|≤∣Гp∣

式中，ξi为输入端口到第i个元件之前的双程电压衰减系数的模值，|Гi|max为频带内的最大值，|Гi|min为频带内的最小值。

(2) 和差通道幅度及相位

该相控阵天线系统只能对和波束进行通道幅相误差校正，而且被校正信号仍为和差波束共用信号。差通道必须具有高度的幅相稳定性(不能被校正)。由于在和差信号分开之前就实现了和波束的幅度和相位加权，因此差波束的幅度和相位加权只能通过网络设计来保证。要实现差波瓣必须保证阵面有180°的相差，即保证和差相对相位左半个阵面和右半个阵面相差180°。子阵式设计中第1级和差网络的设计能实现阵面相差180°。和波束在T/R组件中实现Taylor分布，要求馈线系统和通道幅度同频点起伏较小。

(3) 和差相对相位

对于和差一体化设计，馈线网络在与T/R单元相连接处又分成N/16块子块。子块与子块之间和差相对相位不宜有过大的相位台阶。相对相位台阶过大对整个副瓣影响极大，因一个台阶影响到16个天线单元的相位值，左半个阵面和右半个阵面在保证180°的情况下相对相位尽量保持一致。

(4) 和差相对幅度

阵内分口和差共用。差通道Bayliss分布加权是靠馈电网络来实现的，和波束在T/R组件中已实现Taylor分布加权，所以在馈电网络调试阶段将和差相对幅度与理想幅度要求一致。

在整机联试阶段馈线系统和差通道的相位一致性要求对波瓣最为敏感，且此系统较为复杂，误差来源较多，具有很多不确定性，见表1。另外，差波瓣是通过小量化台阶衰减网络来实现Bayliss分布，不能进行幅相校正。因此，要保证差波束有理想的波瓣图就必须对和差相对幅度和相对相位提出较为严格的指标设计要求。

2　和差一体化天馈线系统中的校正原理[4-5]

此天馈线系统的馈电网络是和差共用的。和波瓣的馈线系统幅度和相位误差可以通过安装在天线阵面的校正网络进行幅度、相位校正。校正系统主要由校正信号源和射频矩阵开关通过弱耦合器(校正网络)与T/R模块、射频波束形成网络、幅相接收机一起构成整个系统的射频校正通道。在校正时关闭雷达发射机和信号源，测试信号馈入校正网络, 通过先检测各通道的幅度和相位，从DBF校正网络依次取出复信号，用“Matlab工具”求得幅度、相位。利用波束控制系统将各通道的幅度和相位校正到需要的设计值，作相应的幅相补偿。校正原理如图3所示。联试时要对其系统反复进行幅、相误差修正。

图3　和波束幅度(a)和相位(b)校正原理图

3　和差共面天馈线系统中的误差来源

此天馈线系统中的误差来源较多，分析也较复杂，各类误差对幅度、相位影响较大，直接影响天线的性能指标。通过内校正，校正线以内的馈线误差可以被校正系统校正，校正后的结果见图3所示。但是，来自校正线至天线阵面的误差很难被系统校正，如表1所示。

表1　误差来源及相关表

天线单元之间互耦所引起的驻波变化、幅度和相位变化等对天线波瓣的副瓣电平、天线增益以及波束指向等都有不同重度的影响。如何减小这些因素的影响成为天馈线系统工作者们研究的课题。系统的驻波、幅度、相位一致性和收发隔离等指标都是至关重要的。由于本系统是一种基于T/R单元的天馈线系统，收发隔离主要靠T/R单元来保证，馈线系统的驻波可以通过一些调试方法尽量减小，且可通过内校正被校正，但来自天线的误差很难被校正，只能依靠经验值进行设计。

4　和差一体化天馈系统主要指标

和差一体化天馈系统主要指标有和差相对幅度和相对相位，图4给出了等权模式下的和差相对幅度，图5给出了和差相对相位，图6给出了和差波瓣图。

图4　一体化天馈系统和差幅度

图5　一体化天馈系统和差相位

图6　一体化天馈系统未加权值时波瓣图

5　结束语

本文介绍了一种体积小、质量轻、可靠性高、性能好的N路和差共用一体化设计的天馈线系统，实现了水平面同时和差波束测角，发射激励等幅，差波束有很高的零深与副瓣，和差阵面通过采用微带垂直过渡实现了和差通道的电气互联和结构上的分离，每个阵面独立工作，已成功地应用于某雷达产品。

[1]雷振亚. 射频/微波电路导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005：20-21.

[2]汤艳燕,王周海,张佳龙.S波段高精度小量化台阶衰减网络的研究[J].雷达与对抗,2008(3).

[3]张光义.相控阵雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1994:30-33.

[4]曹俊锋,许建文,方云.接收DBF雷达系统校正技术[J].火控雷达技术，2007(4).

[5]邹永庆,张玉梅,曹军.用串馈矩阵开关BIT测试系统对相控阵天线的检测、校正及补偿[J]. 雷达科学与技术,2009(4).

Asumanddifferenceintegratedradarantennaandfeedersystem

TANGYan-yan1,WANGZhou-hai1,ZHOUYong-qing1,XIEKe1，2

(1.No.38ResearchInstituteofCETC,Hefei230088;2.ApertureArrayandSpaceDetectionKeyLabofAnhuiProvince,Hefei230088)

Anantennaandfeedersystemofthephasedarrayradarwithsmallsize,lightweightandsumanddifferenceintegratednetworkisintroduced,realizingthesimultaneoussumanddifferencebeamsinazimuthplane.Thecompositionanddesignofthefeedersystemareintroducedindetail,andthecorrectionmethodsandprincipleofthesystemarebrieflyintroduced.Theerrorfactorsthataffecttheantennaperformancesarediscussed,andthemainindexesofthesumanddifferenceintegratedantennaandfeedersystemaregiven.

radarfeedersystem;sumanddifferenceintegratednetwork;sumanddifferencerelativeamplitude;sumanddifferencerelativephase;antennagain;beampointing

2016-04-03；

2016-04-20

汤艳燕(1979-)，女，工程师，研究方向：雷达天馈线系统；王周海(1969-)，男，研究员，研究方向：雷达天馈系统。

TN821.8

A

1009-0401(2016)03-0054-04