基于相控阵雷达天线俯仰多波位相扫的设计与应用

吴志毅李广伟2(.四川信息职业技术学院广元6208402.陆军重庆军代局驻广元地区军代室广元20840)

基于相控阵雷达天线俯仰多波位相扫的设计与应用

吴志毅1，李广伟2
(1.四川信息职业技术学院，广元620840；2.陆军重庆军代局驻广元地区军代室，广元20840)

分析研究了如何设计平面相控阵雷达天线多波位相扫的基本原理，提出了36行平面相控阵雷达天线在俯仰上实现多波位发射波束、接收波束形成与展宽方法。通过微波暗室的测试，天线技术指标完全达到了平面相控阵雷达天线多波位相扫的技术要求，实现了一维相控阵面高增益、高灵敏度、低噪声、大动态范围技术指标。

相控阵天线；多波位相扫；高增益；移相器；波束展宽

0 引言

对于低空或超低空目标的侦察，需要有较高克服地物或其他抗干扰的措施，才能获得所需信息。通过对多种类型雷达比较，选择相控阵雷达是一种比较好的选择。原因在于相控阵天线波束指向灵活，同时可以形成多个独立波束，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标，获取数据率高，具有对复杂目标环境的适应能力强、抗干扰性能好等优点［1］。

1 相控阵雷达天线设计原理分析

相控阵雷达天线可以采用一维或两维有源平面相控阵天线，通过反射面的半波振子天线组成。为了获得较高的天线增益，将许多天线单元按一定规则排列在一起，组成一个大的阵列天线。同时，通过计算机波控改变阵列天线中各天线单元激励电流的幅度或相位来实现天线方向图的波束形状和波束指向。例如，以阵面法线为中心，如果左边半波振子天线发射信号相位早一点，右边晚一点，那么信号叠加后，最大能量方向就会向右偏，即精确控制它们的相位差，就能控制这个最大能量的指向。因此，对于平面阵相控阵天线，如果要在方位角φ和仰角θ这两个方向上同时实现天线波束的相扫，采用平面相控阵天线是适宜的。

设天线阵列位于yoz上，共有M×N线单元，沿y方向的N个阵元以间距dy匀排列，沿z方向的M个阵元以间距dz匀排列，从而形成矩形栅格阵的平面阵。在忽略天线单元方向图的影响条件下，平面相控阵天线的方向图函数F(cosαy，cosαz)如式(1)所示［2］。

式中，αik表示第(i，k)个天线单元的幅度加权系数。在天线阵列yoz平面上，cosαy、cosαz与在方位角φ和仰角θ这两个方向上的函数关系为：

因此，可以得到在方位角φ和仰角θ这两个方向上的函数方向图函数。

由式(3)可知，为了在(θ，φ)方向上获得波束最大值，分别改变相邻天线单元之间的相位差α、β值，即可突破天线波束的相控扫描。而α、β值的改变仍然是通过每个天线单元后端设置的移相器实现，即只要在每个单元上串入(0～2π)的可调移相器，并可控制移相器的移相量就可以控制最大辐射方向，从而形成波束扫描。

2 相控阵雷达天线俯仰多波位相扫的设计

以36个天线行、T／R组件以及馈电网络、波控器等组成的平面相控阵雷达天线阵面为例进行分析设计。设计原理框图如图1所示，平面相控阵雷达天线完成功能：

1)空间合成形成发射波束；

2)空间合成形成和、方位差和高低差3个接收波束；

3)采用一维相扫形成5个俯仰波位，完成0°～45°的俯仰扫描。

2.1 相控阵雷达天线阵面设计

相控阵雷达天线阵面的设计包括以下几个部分：

1)阵列振子：每行设计成24个半波振子，则整个阵面共864个半波振子；

2)功分网络：由不等分功分器构成功分网络，每个不等分功分器驱动12个半波振子，则每行需要2个不等分功分器；

3)T／R组件：完成收发转换与信号放大，每行需要2个T／R组件；

4)微带电桥：构成和差器，设计成微带结构；

5)环形器：信号按照需要方向流动。

2.2 发射波束形成的设计

由发射机频综输出线性调频激励信号，经过3级固态放大器放大后输出3路激励功率信号，每一路激励信号经过一个12等功率分配器——环流器——和差器均分成两路，分别激励两个T组件，T组件的输出由两个不等分功分器按Taylor加权分配给天线辐射单元，经空间合成发射波束。

2.3 接收波束形成的设计

常采用Butler矩阵多波束网络或基于FFT的数字波束形成DBF技术来实现接收多波束。

(1)接收和路波束和高低差波束的设计

发射波束照射到目标后，反射回波被阵面振子天线接收，对于整个平面阵而言，将36行接收信号经两个不等功分器相加后经一个和差器，形成和波束和高低差波束。

(2)方位差波束的设计

每一行可形成一个方位差波束，将36行的方位差经功分器相加后，形成了方位差波束。

2.4 波束展宽设计

相控阵雷达对搜索空域进行立体扫描时，需要考虑因素：保证雷达检测性能，需要减小相邻波位之间的波束跃度，以降低波束覆盖造成的损失，提高雷达的搜索数据率，又要求天线波束跃度不能太小(波位数目不宜过多)，否则会造成雷达的冗余检测［3］。因此，相控阵天线的最佳波位设计，须根据雷达的战术要求确定最佳波位数。

根据仰角线阵对指定搜索角度范围的最佳波位序列，定义天线波束的η功率点宽度为：

式中，d为阵元间距，N为阵元数目，λ为工作波长，k为波控数码的计算位数，θB天线波束指向，η为功率电平值。

式(4)表明，天线波束宽度随扫描角的增大而展宽，这就是天线波束的扫描展宽效应。

(1)发射波束的展宽设计

为了不损失发射能量，发射波束展宽采用了变有效天线口径和相位加权相结合的方法，即在1波位、2波位全口径工作(36行工作)，3波位24行工作，4波位36行工作，采用相位加权使波束宽度展宽，5波位36行工作，相位加权使波束宽度展宽。

(2)接收波束展宽设计

控制T／R开关，按需要开、关T／R组件，改变阵面工作行，即改变天线有效口径，便可以改变半功率点的波束宽度。在远距离采用窄波束，近距离采用宽波束，即远区采用大口径，近区采用小口径以解决最大作用距离与最大仰角覆盖的矛盾。这是相控阵雷达独有特点，能充分利用雷达的时间资源和能量资源。相控阵阵面在接收状态下，1波位、2波位全口径工作(36行工作)，有效口径2m×2m，3波位采用24行工作，4波位采用12行工作，5波位采用6行工作。

3 电性能参数测试

在微波暗室对天线5个波位进行测试，接收增益大于或等于 33dB，发射增益大于或等于32dB，水平波瓣副瓣电平小于或等于－30dB，垂直波瓣副瓣电平小于或等于－25dB(1／2波位)；方位零值深度小于或等于－25dB，俯仰零值深度小于或等于－25dB(1波位、2波位)。3D合成图如图2所示，相位全息图如图3、图4所示，方向图如图5、图6所示，均达到了设计要求(由于篇幅原因，图中只列出了低波位1的测试结果图)。

4 结论

从微波暗室指标测试结果看，实现了平面相控阵雷达天线在仰角多波位扫描。目前已正式投入生产，装备于某型超低空补盲雷达车。该天线工程应用水平较高，很有推广价值。

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Design and Application of Pitching Multi Wave Phase Sweep Based on Phased Array Radar Antenna

WU Zhi⁃yi1，LI Guang⁃wei2
(1.Sichuan Institute of Information Technology，Guangyuan 620840; 2.The Military Representative Office of Army Corps of Chongqing in Guangyuan area，Guangyuan 620840)

Analysis and research on how to design planar phased array antenna the basic principle of multi wave phase sweep，presented 36 line plane phased array antenna is implemented more wave emission beam on the pitch，the method of receiving beam forming and broadening.Through the test of microwave dark room，antenna technical indicators fully meet the multiple wave phase of the technical requirements，the one⁃dimensional phased array face high gain，high sensitivity，low noise coefficient，large dynamic range technology index.

planar phased array;multi wave phase sweep;high gain;phase shifter;beam broadening

TN953＋.7

A

1674⁃5558(2017)03⁃01314

10.3969／j.issn.1674⁃5558.2017.02.018

吴志毅，男，教授，研究方向为射频／微波技术、应用电子技术。

2016⁃08⁃19