一种塔康天线的小型化设计

2021-11-14吴保义

无线电工程 2021年11期

吴保义

(福建星海通信科技有限公司，福建福州 350008)

0 引言

塔康系统是极坐标中近程导航系统，可为搭载塔康系统机载设备的飞机提供相对于系统信标台的方位和距离信息[1-2]。塔康系统包括地面信标设备和机载设备，地面信标设备主要由地面设备主机和信标天线组成。该系统除了可安装在机场航路点固定运载体上还可以安装在舰载运载体或者机动车载运载体上，机动性和灵活性较高，特别适合军事应用[3]。

塔康地面信标天线(简称塔康天线)要求有特定的方向图[4]。在水平面内，其静态方向图为沿圆周分布的九瓣心脏形方向图，并要求方向图以每秒15转的角速度进行顺时针旋转。天线水平面内旋转的九瓣心脏形方向图对测位精度等指标有着重要影响。传统塔康天线水平面场形调制主要有3种：衰减式幅度调制、寄生振子开关式幅度调制和相控式幅度调制[5]。采用衰减式幅度调制方式和相控式幅度调制方式的塔康天线，是由36个振子阵列组成的圆柱阵列天线。在每列振子阵列的馈线上馈入幅度按一定规律变化的激励信号，可在水平方向形成旋转场。而采用寄生振子开关式幅度调制方式的塔康电扫天线，寄生振子数量也同样在30个以上，通过周期性控制不同方位上的寄生振子，使其对中心辐射振子辐射的全向信号起引向和反射作用，从而在水平方向形成旋转场形。

平行布置的2个天线之间存在互耦[6-8]，互耦与平行天线之间的距离有关，距离越大，互耦越小，对天线的性能影响也越小。圆环阵天线阵元数量越多，天线的直径就越大。某新型地面塔康圆柱面天线直径约1.7 m[8-9]。由于塔康电扫天线采用单层天线阵，垂直面方向图只能通过调整天线圆形反射板的直径进行控制。为了降低垂直面波束最大辐射方向对应的仰角，舰载塔康系统天线的直径一般为1.4 m左右。

针对某型号车载塔康系统信标天线高增益、小型化和适装性设计要求，本文通过减少圆柱阵塔康天线的阵列数量，重新设计对应的馈电电路，提出了一种24个阵列的小型化圆柱阵塔康天线。

1 天线设计

如图1所示，天线为多个纵列组成的圆柱天线阵。与传统相控塔康天线[10]相比，该天线结构简单直观，纵列与TR组件1对1连接。使用TR组件可以对馈电信号的幅度和相位更加精准控制。

图1 小型圆柱阵塔康天线原理框图Fig.1 Functional block diagram of the miniature cylindrical array TACAN antenna

适当减少纵列数量是天线小型化的一种方式，可以减小天线尺寸。该天线把传统圆柱塔康天线的纵列数量从36个减少至24个，不仅可以减小天线尺寸，同时也可以减小TR组件的数量和天线的质量。

本文主要论述圆柱阵塔康天线的小型化设计，TR组件设计和垂直面方向图的余割平方波束赋形设计技术成熟[11-15]，不在本文的论述范围内。

2 方向图合成原理分析

由36个纵列组成的传统圆柱阵塔康天线，各个纵列馈入信号的调制包络信号Vi(t)可表示为[10，16]：

(1)

式中，Vi(t)为第i个振子纵列馈入信号的调制信号；A为调制信号的幅值；i为纵列序号，i=1，2，…，36；ω为2π×15。

馈入信号的调制频率为15 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差10°；馈入信号的调制频率为135 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差90°[17]。

为了方便说明，在本文中把15 Hz的周期T0(T0=1/15 s)均分为N个时间段，每个时间段的时间间隔Δt=T0/Ns，第k(k取值范围0～N-1)个时间段的开始时刻用tk表示,且在(tk+Δt)的时间内，有Vi(t)=Vi(tk)，则有：

(2)

此时，在(tk+Δt)的时间内，各个纵列馈入信号的调制信号Vi(t)是一个恒定值。圆柱天线在空间上可以合成一个固定的九瓣心脏形方向图。当随时间t变化时，九瓣心脏形方向图按旋转频率15 Hz进行水平旋转，在空间不同方位φ上，接收机可接收到幅度变化规律与九瓣心脏形方向图一致的信号，只是信号的最大值对应的时间t与水平方位φ有关。九瓣心脏形方向图与塔康系统的主辅基准配合使用时，可以为机载塔康设备提供测向功能。

类似地，由24个纵列组成的圆柱阵塔康天线，各个纵列馈入信号的调制信号Vi(t)可表示为

(3)

式中，i为天线纵列序号，i=1，2,…，24。

当馈入信号的调制频率为15 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差15°(即360°/24)；当馈入信号的调制频率为135 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差135°(即15°×9)。

本文对由18个纵列组成的圆柱阵塔康天线也进行了分析。当馈入信号的调制频率为15 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差20°(即360°/18)；当馈入信号的调制频率为135 Hz时，相邻2个振子之间的相位相差180°(即20°×9)。各个纵列馈入信号的调制信号Vi(t)可表示为：

(4)

式中，i为天线纵列序号，i=1，2,…，18。

把15 Hz的周期T0分成N个时间段，每个时间段的时间间隔ks，第k(k取值范围0～N-1)个时间段的开始时刻用tk表示。对于式(4)中135 Hz调制信号分量部分，令：

(5)

则有：

(6)

根据式(5)，有：

(7)

在周期T0内，当m为0，1，2，…，17时，根据式(7)可知tk

由于九瓣心脏形方向有9个波瓣，根据奈奎斯特采样定律，抽样点数应不小于18，因此圆柱阵塔康天线的天线阵列数量应不小于18个。本文选取天线的纵列数量为24个。

3 天线单元设计

天线纵列是天线单元组成的直线阵。如图2所示，天线单元选取半波对称振子，在距离振子λ/4处设置反射平板，馈电方式为带线平衡馈电。通过对反射平板的合理设计，当天线单元组成圆柱阵时，反射平板可组成圆柱形反射面。天线单元在950～1 215 MHz内的驻波特性如图3所示，在工作频带内有较好的驻波特性。

图2 天线单元Fig.2 The basic antenna unit

图3 天线单元端口电压驻波比Fig.3 Port VSWR of the basic antenna unit

圆柱阵天线中相邻天线单元之间的距离有限，振子之间存在信号耦合。为了增大天线单元之间的隔离度、降低信号耦合，保证各天线单元的驻波特性，相邻天线单元的阵间距离要加大。因此，组成圆柱阵的天线单元数量越多，圆柱天线阵的直径就必须越大。图4是直径为1 100 mm的24天线单元圆柱阵天线和1 700，1 100 mm的36天线单元圆柱天线阵中，相邻2个天线单元之间的耦合系数的仿真结果。

图4 耦合系数对比Fig.4 Comparison of S21 responses

由图4可以看出，直径为1 100 mm的24天线单元圆柱阵天线中相邻振子之间耦合系数，与直径为1 700 mm的36天线单元圆柱阵天线中相邻振子之间耦合系数基本相当。因此，当使用24个天线纵列的设计时，圆柱阵塔康天线的直径可减小到1 100 m左右，可明显减小天线直径。

4 仿真与结果

由24个天线单元组成的直径为1 100 mm的单层圆柱阵天线仿真模型如图5所示。

图5 24天线单元圆柱阵天线仿真模型Fig.5 Simulation model for the cylindrical antenna combined by 24 unit arrays

天线单元序号i采用逆时针方向排列，第1号天线单元布置在水平极坐标的15°方向，第24号天线单元布置在水平极坐标的0°方向。每个天线单元馈入信号的调制信号Vi(t)依照式(3)进行设置。

图6依次是t0=0 s，t5=5T0/360 s，t10=10T0/360 s，t15=15T0/360 s时的水平方向图。为了方便说明，以上4个时刻tk是把1个15 Hz的周期T0均分为360个时间段，与水平方位360°、方位间隔1°一一对应。因此理论上，水平方向图的最大值对应的水平方位值应依次为0°，-5°，-10°，-15°。

(a) t0时的方向图

(b) t5时的方向图

(d) t15时的方向图图6 不同时刻的方向图Fig.6 Patterns at different times

图6中仿真结果的九瓣心脏形方向图最大值对应的水平方位值与理论值一致。经过充分验证，在任意时刻方向图的最大值对应的水平方位与理论值均一致，由于受篇幅限制，仿真结果曲线未能全部呈现。24个纵列的圆柱阵塔康天线，可实现九瓣心脏形方向图并按15 Hz进行旋转，方向图最大值的水平方位指向与预期值一致。说明采用24个纵列的圆环阵塔康天线是可行的。