一种连续波相控阵天线的设计

陈 爽，李彦文

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225101)

0 引 言

自20世纪30年代以来，连续波雷达一直是个热门话题。在近程雷达系统中，连续波雷达比脉冲波雷达具有明显的优点，例如体积小、重量轻、发射功率较小，因此具有抗侦察与抗干扰的能力[1]。然而雷达的收发隔离问题是雷达工程实践中的一个重要问题[24]。大功率连续波雷达，同时发同时收，不解决收发隔离问题，也就无法继续对目标进行跟踪。收发隔离不好，轻则降低接收机的实际灵敏度，减小作用距离；重则导致接收机饱和，无法跟踪目标。因此，本文在设计一个连续波雷达的基础上，对收发隔离进行了探讨。

1 雷达收发隔离分析

解决收发隔离的方法一般有[2]频率隔离、时间隔离、极化隔离和空间隔离等等。其中的频率隔离如大功率的通信机和卫星通信站，它们的收发采用不同的频率，便可圆满地解决收发隔离问题；但这不适用于连续波测速雷达，因为多普勒频率只有几十千赫兹到几兆赫兹，收发信号频率间隔太小。

对时间隔离来说，脉冲雷达就是一个典型的例子，脉冲雷达从工作原理上就要求发射和接收在不同的时间里进行，它所要解决的问题只是在发射的极短时间里不要泄漏过多的功率，以免烧毁接收机或妨害对近距离目标信号的接收；在实际应用中由于天线存在交叉极化，极化隔离方法效果也不是很明显。

增大收发天线间距可以明显提高收发隔离，间距增大一倍，隔离度可提高6 dB。但是增大收发天线间的距离将受到空间位置的限制，例如飞机、军舰上的雷达，两天线容许的距离只不过十几米或几十米。天线间加吸收性隔离板对侧向辐射进行吸收，这种隔离措施使2个天线间的电磁波不能直视传输，因而隔离效果十分显著。

2 仿真与设计

设计要求：设计一个天线阵面，由发射阵面、接收阵面、隔离带等组成，工作频率Ku波段，示意如图1所示。

图1 天线布局示意图

其中，发射天线阵列天线规模如下：共4行×52列。发射天线阵方位±45°相扫。接收天线阵列天线规模如下：共8行×52列。接收天线阵方位±45°相扫，收发隔离度≥75 d B。

2.1 天线阵元

选用印刷阵子天线作为阵元。其模型如图2所示。

图2 阵元模型

仿真的单元驻波及方向图如图3、图4所示。

图3 阵元驻波

从图3中可以看出，该阵元形式方向图对称，阵元的驻波1.14，频率特性在带宽内的一致性稳定，增益达到6.05 dB。选用本形式阵元作为天线阵的阵元。

图4 阵元仿真E、H面方向图

2.2 天线线阵设计和验证

2.2.1 5×5阵列

为验证单元在阵中的性能，建立一个5×5的阵列，并观察阵中单元的特性。建模如图5所示，阵中单元驻波如图6所示，方向图及与周围阵元的互耦度如图7、图8所示。

图5 5×5阵列

图6 阵中单元驻波

由上面的仿真结果可以看出，阵元在5×5阵列中满足驻波1.4 以下，H面方向图波束宽度大于100°，满足扫描±45°要求。

2.2.2发射阵

将俯仰4个单元用一个一分四功分器相连，并建立4×52元阵列，建立模型如图9所示。

图7 阵中单元H面方向图

图8 阵中单元与周围阵元的耦合度

图9 发射阵列

分别对这2个模型进行仿真，观察E面及H面方向图。仿真结果如图10、图11所示。

图10 H面方向图

由以上仿真结果可以看出，发射阵方位面在全频带上满足波束宽度2°±0.1°，俯仰面在全频带上满足波束宽度20°±1°。

图11 E面方向图

2.2.3接收阵

建立接收阵列8×52元阵，如图12所示。并对此模型进行仿真，观察E面及H面方向图。

图12 接收天线阵列

仿真结果如图13、图14所示。

图13 H面方向图

图14 E面方向图

由以上仿真结果可以看出，接收阵方位面在全频带上满足波束宽度2.8°±0.2°，俯仰面在全频带上满足波束宽度8°±0.5°。

2.3 隔离板的选择

将发射阵列与接收阵列放置在一个平面上，上表面平齐，建立模型如图15所示。

图15 连续波阵列

经仿真得到的2个阵列隔离度如图16所示，可以看出，在未加隔离板的情况下，发射阵列与接收阵列隔离度为-50 dB。参考以往隔离措施，由于连续波雷达无法采用脉冲雷达的时间隔离措施，且根据接收发射要求无法利用极化隔离，故选用平面金属板进行空间电磁波隔离，阻断电磁耦合通道，必要时涂覆锡铂纸应可增加效果。

图16 未加隔离板的阵列隔离度

首先，采用单层金属板作为隔离板，在2个阵列中心位置放置一块金属板，高度约1.5λL，建立模型如图17所示。

图17 加单层隔离板的连续波阵列

由仿真结果(图18)可以看出，加上单层隔离板之后，2个阵列的隔离度由50 d B 增至65 d B，但仍然不能满足实际需要。

图18 加单块隔离板的阵列隔离度

将单块隔离板加至2块隔离板，又叫U型隔离板。2块板间距约为1.8λL，高度约为1.5λL，建立模型如图19所示，仿真结果如图20所示。

图19 U 型隔离板的连续波阵列

图20 U 型隔离板与单块和不加隔离板的阵列隔离度

可以看出，加上U 型隔离板之后，2个阵面的隔离度在全频带上大于75 dB。

在隔离板上进行开槽处理，可以使电磁波的绕射距离变长，衰减更多，从而达到提高隔离度的目的。由此建立模型如图21所示，在U型板上等间距、等深度地开槽，槽面向内，平面向天线。

仿真结果如图22所示，从中可以看出，在U型板上进行开槽处理后，收发隔离度提升至90 dB以上。

图21 开槽U 型板的连续波阵列

图22 开槽U 型板与上述隔离板的隔离度

3 测试结果

经过实际加工调试，天线性能测试如下所述。

阵中单元方位方向图如图23所示。

图23 阵中单元方位方向图

测试结果满足±45°扫描范围要求。

发射阵列的方位方向图如图24所示。

图24 发射阵列方位方向图

接收阵列的方位方向图如图25所示。

图25 接收阵列方位方向图

测试结果满足指标要求。

收发隔离度如图26所示。

图26 隔离度测试图

频带内的隔离度达到了-78.0 dB，满足指标要求。

4 结束语

本文提出了一种开槽U型隔离板。从连续波雷达收发隔离的基本理论出发，构建了带有开槽U型隔离板的12×52元阵列。测试结果表明，该阵列可以在设计频段上实现宽角扫描、高隔离度等优异性能。