单脉冲无源相控阵天线研制

2019-09-27武俊伟

雷达与对抗 2019年3期

韩鹏，武俊伟，何蓉

(四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000)

0 引言

随着现代雷达技术日新月异的发展，雷达功能和性能得到很大提升。相控阵雷达天线由于波束扫描由计算机控制，天线波束在空间几乎无惯性扫描，使相控阵雷达具有边扫描边跟踪的能力，即利用时间分割技术实时跟踪多个目标的能力。相控阵雷达天线又分为无源相控阵天线和有源相控阵天线。无源相控阵天线采用集中式发射和接收，发射和接收设备通过功分网络连接移相器和辐射单元，设备量少。因此，无源相控阵天线成本低，但集中式发射会使发射功率提高受到限制。天线阵面幅度分布由功分网络决定固定变化，只有相位分布变化改变波束指向。有源相控阵天线每个辐射单元后连接一个具有发射和接收功能的T/R组件。每个T/R组件发射功率大小和相位都可以改变，因此天线阵面幅度分布和相位分布都可以改变，形成的波束也更加灵活，每个T/R组件合成的发射功率也更大。但是，有源相控阵天线的缺点是成本相对较高。而在雷达处理技术中，单脉冲技术[1]可以提高雷达跟踪精度和抗干扰能力。因此，研制成本相对较低的单脉冲无源相控阵雷达天线具有现实意义。

单脉冲技术能够从一个应答的单脉冲准确测量到达信号的方向。运用单脉冲技术的天线能够形成如图1所示的和波束和差波束。差波束在和波束主瓣方向形成很窄很深的零值区间，在和波束的旁瓣方向差波束要求覆盖和波束所有旁瓣。

本文介绍了采用单脉冲体制无源相控阵天线的研制。天线同时可以形成和、差两种波束，而且和、差两种波束能够同时快速、灵活地实现波束±45°扫描，将单脉冲技术的测量精度和相控阵天线的灵活性有效结合可以显著提高雷达系统性能。文中讨论了所研制单脉冲无源相控阵天线的组成及原理，满足和波束和差波束特性而对天线口径分布所做的优化设计。天线辐射单元考虑互耦的设计方法、馈电网络设计与实现途径等，通过对天线±45°不同指向和、差波束测试，表明天线口径分布优化设计效果良好，不同指向和、差波束都能够满足单脉冲技术要求。

图1 和、差波束方向图的细化图形

1 阵面组成

根据雷达系统对天线增益和波束宽度等要求，该单脉冲无源相控阵天线水平方向采用22个辐射单元。为了保证天线波束±45°扫描不出现栅瓣，根据不产生栅瓣的计算公式：

其中，dx辐射单元间距，λmin为最高频率对应波长，θmax为波束最大指向，Δ=1/NP(NP是阵面中低副瓣线阵组件数量)，经计算辐射单元水平间距为142 mm。每个辐射单元由垂直方向间距为148 mm的4个印制半波振子组成。4个印制半波振子通过一分四等功率微带功分器馈电，辐射单元结构设计中通过铝合金骨架支撑，外用玻璃钢外罩保护并密封处理，满足天线环境适应性要求。22个辐射单元安装在封闭的箱式大梁中。箱式大梁中安装有天线馈电网络。馈电网络通过电缆与辐射单元连接，形成对22个辐射单元馈电激励。图2给出了该天线阵面的照片。

图2 天线阵面照片

2 天线口分布设计

为此对天线差波束口径的幅度分布进行改进设计。表1所示为差波束改进前后口径幅度分布。

表1 和、差波束改进前后口径分布

将和、差波束相同的幅度分布改进成了不同的分布，差波束在幅度泰勒分布的基础上提高中心辐射单元的馈电幅度大小。改进的效果提高了差波束在和波束副瓣方向的增益，从而进一步改善了差波束覆盖和波束副瓣的效果，避免了穿刺现象的发生，使和、差波束指向在±45°扫描都能满足单脉冲处理对天线波束的要求。

图3和图4分别为修正前后-45°波束指向和、差波束方向图。改进幅度分布后的差波束在和波束副瓣方向增益明显增加，也不存在穿刺现象。

图3 修正前-45°波束指向和、差方向图

图4 修正后-45°波束指向和、差方向图

3 阵面设计

根据天线阵面组成，天线研制过程分为天线辐射单元研制和天线馈电网络研制。

3.1 天线辐射单元设计

辐射单元由4个印制半波振子等间距排列组成。如图5所示，4个印制半波振子通过与之连接的一分四微带功分器实现等幅同相馈电，一分四微带功分器由3个Wilkinson功分器串联组成。图6为Wilkinson功分器外形图，两个输出端口之间焊接隔离电阻，保证输出端口之间相互隔离，馈电单元之间相互不影响。

图5 天线辐射单元结构形式

图6 Wilkinson功分器结构图

天线辐射单元完成微波信号向空间辐射，其辐射特性会受到附近环境影响。辐射单元在自由空间和天线阵面中附近的边界环境完全不同。因此，天线辐射单元设计一定要考虑天线阵面中辐射单元之间的互耦影响。辐射单元考虑互耦影响的设计方法如下：首先根据经典的设计原理和公式设计出自由空间辐射单元基本尺寸，然后根据HFSS等电磁仿真软件建立天线阵面模型，在阵面中考虑辐射单元之间互耦并优化辐射单元尺寸，最后通过加工如图7所示的小型测试阵调试和测试辐射单元性能。小型测试阵按照天线阵面中的间距由5个辐射单元组成，中间1个辐射单元为调试和测试辐射单元，而该辐射单元两测各2个辐射单元作为边界条件，主要对中间辐射单元增加相应的互耦影响。

图7 辐射单元小阵测试

经测试表明，在15%的带宽内，辐射单元在小型测试阵中端口电压驻波比小于1.3。图8和图9分别为天线阵面波束指向法线和45°方向时的垂直波束方向图，垂直波束宽度均大于18°。

图8 波束指向法线方向垂直波束

3.2 馈电网络研制

馈电网络是天线研制的核心部分，天线和、差波束的形成，以及和、差波束各种性能都通过馈电网络实现。

3.2.1 馈电网络原理

综上所述，系统性康复锻炼可有效提高膝关节股性关节炎患者行关节镜术后的膝关节功能及主动活动度，有效降低患者疼痛，对患者远期疗效好。

馈电网络是实现天线口径分布的硬件系统，因此馈电网络设计依据也是天线的口径分布数据。由于该天线改进的口径分布使和波束与差波束幅度分布不再相同，而是和波束为泰勒分布，差波束在泰勒分布的基础上只增大了中间辐射单元的馈电幅度。

图9 波束指向45°方向垂直波束

由于和波束与差波束幅度分布不同，因此增加了馈电网络实现的复杂性。图10为馈电网络原理图。和端口输入首先连接耦合器，耦合器2个输出分别通过2个环形电桥，1个环形电桥直接给天线阵面中心2个辐射单元同相馈电，另1个环形电桥通过2个一分十功分器给天线阵面左右各10个辐射单元同相馈电，实现和端口馈电时天线阵面22个辐射单元幅度分布按泰勒分布，相位同相分布。

图10 天线馈电原理图

差端口输入首先连接一分二功分器。一分二功分器2个输出分别通过2个环形电桥，1个环形电桥直接给天线阵面中心2个辐射单元反相馈电，另1个环形电桥通过2个一分十功分器给天线阵面左右各10个辐射单元同反相馈电，实现差端口馈电时天线阵面22个辐射单元幅度分布与泰勒分布有所不同，天线阵面左右各11个辐射单元相位相反。

在馈电网络22个输出端分别连接22个4位数字移相器，通过控制系统控制22个数字移相器输出相位变化，控制和、差波束在±45°范围实现快速扫描。

3.2.2 功分器电路设计

馈电网络中的功分器包含2种功分器，一种是如图11所示的一分二功分器，一种是如图12所示的一分十功分器，都是通过微带线Wilkinson功分器实现。Wilkinson功分器输出端口之间有隔离电阻，一分十功分器由9个Wilkinson功分器级联形成，通过调节微带线长度使各输出端相位相同。

图11 一分二功分器电路图

图12 一分十功分器电路图

经测试表明，在15%的带宽内，功分器各端口电压驻波比均控制在小于1.3，各端口幅度输出较理论分布起伏在±0.25 dB以内，相位分布起伏在±3°以内。

3.2.3 耦合器电路设计

图13 耦合器电路图

该耦合器通过印制板两面的微带线位置交错实现功率耦合，通过调节两段微带线交错面大小改变耦合器的耦合度。经测试表明，在15%的带宽内，耦合器各端口电压驻波比均控制在小于1.3，耦合度起伏在±0.25 dB以内，隔离端口的隔离度小于-28 dB。

3.2.4 环形电路设计

环形电桥又称和差器，有2个输入端口分别为和端口和差端口，2个输出端口。图14为环形电桥电路图。和端口输入时，由于和端口到达2个输出端口微带线长度相等，所以2个输出端口输出功率相等，相位相同；而差端口输入时，由于差端口到达2个输出端口微带线长度相差λ/2，所以2个输出端口输出功率相等，相位相反。

图14 环形电桥电路图

经测试表明，在15%的带宽内，环形电桥各端口电压驻波比均小于1.3，输出幅度起伏在±0.25 dB以内，相位起伏在±3°以内。

3.2.5 数字移相器电路设计

天线波束扫描主要通过移相器改变相位分布形成，因此移相器对相控阵天线整体性能发挥着至关重要的作用。该天线采用4位数字移相器。该移相器具有体积小、质量轻、损耗小、成本低且响应速度快、控制电路简单等特点。

图15和图16分别为数字移相器原理框图和印制板电路图。移相器通过开关切换不同长度微带线控制移相位。4位数字移相器包含180°、90°、45°、22.5°移相位，通过控制电路控制各移相位通断，使移相器相位在0°～360°以22.5°为步长离散变化。

图15 数字移相器原理框图

图16 数字移相器外形图

为节省数字移相器位数，同时保证所需要的小的波束跃度，该数字移相器采用了“虚位技术”(phantom-bit technique)[3]。虚位技术原理是：当计算移相器所需的移相值时，按K位进行计算，而实际移相器只有(K-b)位，其中b为被舍去的位数。本文中每一路采用了4位数字移相器，但计算每一路移相器移相值时取K=8，即按8位移相器计算波束扫描时每一路移相器的移相值，而实际应用中将后4位虚拟的移相值舍去。

该相控阵天线采用了4位移相器，4位移相器波束跃度为5°左右。而由于设计中采用了移相器的虚位技术，波束跃度达到1°左右，使4位移相器达到了8位移相器的波束指向效果，并且损耗比8位移相器低1 dB左右，不但提高了天线增益，而且使天线成本大大降低。

经测试表明，在15%的带宽内，数字移相器端口电压驻波比均小于1.35；插入损耗小于1.5 dB；中心频点移相精度：22.5°位≤±1°，45°位≤±2°,其余≤±3°；响应时间：<1 μs。

4 测试及分析

该相控阵天线完成研制后，在微波暗室通过平面近场法对天线方向图进行了测试。图17为天线平面近场测试原理图。将天线架设在测试支架上，测试过程中天线阵面与采样探头距离取3～5个波长，扫描范围按照水平面±60°左右、垂直平面±45°左右的截断角截取，通过波控器控制天线和、差波束不同指向，分别测试每个指向的和、差波束方向图。

图17 天线平面近场测试示意图

天线主要测试了波束扫描±45°范围内波束指向0°、±30°、±45°和、差波束方向图。图18～图20分别为测试的和、差方向图。测试结果中，波束指向0°时和波束副瓣电平小于-30 dB，差波束覆盖和波束副瓣，覆盖余量大于15 dB；波束指向-30°时和波束副瓣电平小于-30 dB，差波束覆盖和波束副瓣，覆盖余量大于15 dB；波束指向-45°时和波束副瓣电平小于-22 dB，差波束覆盖和波束副瓣，覆盖余量大于8 dB，天线性能满足要求。测试结果也说明了对天线口径幅度分布改进的有效性。