无源毫米波成像雷达准光路及聚焦天线设计

王楠楠,陆满君,高昂卓,王碧芬,王鹏程,邱景辉

(1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;2.上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

对空中目标尤其是空中隐身目标的探测,是当前战争中的重要制敌手段。目前用于探测空中目标的雷达主要有激光雷达[1-2]、红外与可见光雷达[3]、微波主动和被动雷达等。微波主动雷达[4]成像效果好,能够形成高对比度的图像,但由于自身发射信号,导致隐蔽性较差。另外,随着隐身技术的发展,目标的雷达散射截面积降低,这对微波主动雷达系统的隐身目标探测性能提出了更高的要求。激光、红外和可见光雷达探测受天气和大气影响大,无法实现全天候工作[5]。以非合作目标为辐射源的微波被动雷达[6]本身不发射电磁信号,隐蔽性较好,也具有一定的隐身目标探测能力。但由于依赖于其他各种非合作目标发射的电磁信号[7],微波被动雷达存在紧急状态下因非合作目标被关闭而失去探测跟踪能力的情况[8]。

无源毫米波成像雷达利用毫米波段辐射计,完全被动地接收来自目标和背景的毫米波段的辐射信号,根据目标和背景的辐射亮度温度差异来探测目标。无源毫米波成像雷达具有探测隐身目标能力强、隐蔽性好、不依赖于非合作目标发射信号的优点,并能实现全天时、全天候工作,对于空中目标探测具有极其重要的意义。

相比于非成像无源毫米波雷达,无源毫米波成像雷达的探测结果更直观,获得的目标细节特征更丰富。焦平面阵列成像是无源毫米波雷达成像探测的一种重要体制。该体制将毫米波辐射计阵列置于聚焦天线的焦平面上,采用凝视阵或辐射计线阵结合机械扫描来覆盖视场。在焦平面阵列成像系统中,馈源天线偏离焦点时会产生波束畸变,影响系统的空间分辨率。因此研究无源毫米波成像雷达的准光路和聚焦天线设计方法,分析天线的聚焦特性,对于系统性能提升具有重要的意义。

本文采用理论建模、仿真分析的方法,设计用于无源毫米波成像雷达的准光路和聚焦天线。对比抛物面和偏置抛物面两种结构形式的反射面聚焦天线的聚焦特性,并分析35 GHz和94 GHz频段馈源焦径比、偏焦角度等对聚焦天线性能的影响。采用角锥喇叭天线阵列作为聚焦天线馈源阵列,研究低互耦馈源天线阵列,并分析天线馈源支架对其聚焦特性的影响。比较喇叭馈源与理想高斯馈源照射时,聚焦天线方向图性能的差异。最后探讨系统增加支架支撑的影响。

1 准光路设计及天线理论模型

1.1 无源毫米波成像准光路设计

(1) 准光路设计原理

为了平衡无源毫米波成像雷达成本与成像实时性的矛盾,在焦面阵成像系统中,通常采用辐射计线阵结合机械扫描的方式覆盖视场。准光路设计示意图如图1所示。

图1 准光路设计示意图

图1中,以抛物面天线作为聚焦天线,聚焦天线口径为D,毫米波辐射计阵列一维排布在以抛物面天线顶点为圆心、以抛物面焦距f为半径、偏离聚焦天线轴线±θm的圆周上,馈源横向排布范围为2x。α为馈源天线对聚焦天线的半张角。无源毫米波雷达准光系统通过一维辐射计和馈源天线阵列覆盖俯仰向15°的视场,通过机械扫描实现方位向360°空域覆盖。同时,可以通过俯仰向的扫描实现全空域覆盖。

(2) 角分辨率

根据瑞利准则,无源焦平面成像系统最小分辨角δ(近似等于最佳照射时的天线半功率波束宽度)可表示为式中:λ为波长。采用中心工作频率为35 GHz和94 GHz 的辐射计,其工作波长分别为8.57 mm 和3.20 mm,当聚焦天线口径D为1 500 mm 时,角分辨率分别为0.40°和0.15°。

(3) 采样

为满足奈奎斯特完全采样条件,每个波束需采样2次,则15°视场范围内,35 GHz频段需采样75个点,94 GHz频段需采样200个点。但实际上受限于辐射计天线阵列横截面尺寸和系统成本,在辐射计线阵方向(本设计的俯仰向)通常采用欠采样。

对于方位向采样,不仅要考虑奈奎斯特采样率,还要考虑采样间隔、成像帧频和辐射计积分时间的关系。每个波束采样2次,360°视场范围内,35 GHz频段需采样1 800个点,94 GHz频段需采样4 800个点。若系统帧频为0.33 Hz,扫描360°形成一幅条带图像所需时间为3 s,则35 GHz 频段每个采样点驻留的时间为1.670 ms,94 GHz频段每个采样点驻留的时间为0.625 ms。小型化全功率直接检波式辐射计积分时间分别为0.5 ms(35 GHz频段)和50μs(94 GHz频段),均小于采样点驻留时间,且可以通过多次采样取平均值的方式进一步提高系统的温度灵敏度。

(4) 馈源阵列排布范围

如图1所示,以抛物面天线为例,辐射计和馈源天线阵列相对于抛物面聚焦天线顶点的张角为±θm,抛物面的焦距为f,则馈源阵列排布范围2x可表示为

焦径比F为天线的焦距f与口径D之比,即F=f/D。抛物反射面焦径比F为1时,若抛物面天线口径为1 500 mm,则馈源天线阵列与抛物面中心的距离等于抛物面焦距f,即该距离为1 500 mm。将馈源天线阵列单元的相位中心放置于以抛物面顶点为圆心、半径为1 500 mm 的圆周上,馈源阵列的排布偏角范围为±8°。此时,计算可得馈源阵列排布范围为0.42 m。

1.2 聚焦天线理论模型

金属反射面聚焦天线对波束具有良好的聚焦效果,采用抛物面天线和偏置抛物面天线,对比二者在焦面阵成像系统中的聚焦特性。

(1) 抛物面聚焦天线

采用球坐标系,将抛物面焦点o＇设置为坐标原点,(r＇,θ＇,φ＇)表示球坐标系下抛物面上的点坐标。在直角坐标系oxyz中,使抛物面的顶点位于坐标原点o,焦点位于点o＇,焦距为f。抛物面的口径为d,抛物面深度(即抛物面顶点o到口面的距离)为h,位于焦点o＇处的馈源天线对于抛物面的半张角为θ0。抛物面聚焦天线结构如图2所示,几何参数见表1。

表1 抛物面聚焦天线结构几何参数

图2 抛物面聚焦天线结构

根据图2,抛物面母线方程用极坐标可表示为

(2) 偏置抛物面聚焦天线

偏置抛物面天线可以避免馈源天线阵列对波束的遮挡。偏置抛物面是由一个圆柱体与一个焦距为f的母抛物面所截而成。设偏置抛物面的坐标系为ox＇y＇z＇,其点坐标用(r＇,θ＇,φ＇)表示,母抛物面的坐标系为oxyz,其点坐标用(r1,θ1,φ1)表示。偏置抛物面几何参数包括3个,即f,θa,θc,其中θa为 中心轴偏置角,θc为偏置抛物面边沿与焦点所在位置所成的半张角。偏置抛物面聚焦天线结构如图3所示,几何参数见表2。其中d2为偏置抛物面在xoz平面内的物理口径,d1为偏置抛物面在xoz平面内的x轴投影口径,h1为偏置抛物面两边缘点在xoz平面内z方向的距离,h2为偏置抛物面顶点与其下边缘点在xoz平面内z方向的距离,h3为偏置抛物面在xoz平面内的口面深度。

表2 偏置抛物面结构几何参数

图3 偏置抛物面聚焦天线结构

根据图3,偏置抛物面方程可表示为

1.3 馈源天线设计

采用角锥喇叭天线作为馈源天线阵列单元。为了提高主瓣效率和聚焦天线的口面利用效率,将馈源天线对聚焦天线的边缘照射电平设置为-10 dB。根据准光路设计,馈源喇叭天线对聚焦天线反射面的半张角约为26°,馈源天线增益约为15 dB。角锥喇叭模型参数见表3。其中ν为角锥喇叭天线工作频率,a和b分别为角锥喇叭边长,l为角锥喇叭深度。

表3 角锥喇叭模型参数

35 GHz和94 Hz角锥喇叭天线模型和方向图仿真结果如图4所示,天线增益均为15.5 dB。E面和H 面天线方向图表明,边缘照射电平约为-10 d B,符合设计要求。

图4 角锥喇叭天线模型和方向图

2 天线聚焦特性仿真分析

2.1 焦径比对天线波束畸变的影响

工程上设计反射面聚焦天线时,天线焦径比F的选取范围一般是0.6～1.4。当焦径比较小时,焦平面上馈源偏离焦点时焦斑畸变较严重,同时辐射计阵列的排布范围变小,造成馈源间距变小、单元互耦变大,不满足奈奎斯特采样定理;当焦径比较大时,为了获得较高的主瓣效率,需要提高馈源天线的增益,这在紧密排列的焦平面阵列中亦不易实现。

以理想高斯源作为馈源,对口径为1 500 mm的偏置抛物面天线进行仿真分析,比较不同焦径比条件下天线辐射方向图的变化,不同频率的仿真结果如图5和图6所示。可见,当馈源位于抛物面焦点时,焦径比的变化不会导致波束畸变;当馈源偏焦4°时,随着焦径比从1.4变化到0.8,频率为35 GHz 时天线增益由53.08 dB 下降至50.32 dB,94 GHz时天线增益由57.72 dB 下降至52.42 d B;当馈源偏焦8°时,随着焦径比从1.4变化到0.8,频率为35 GHz 时天线增益由49.33 dB下降至44.51 dB,94 GHz时天线增益由50.43 dB下降至46.25 dB。馈源偏离抛物面焦点时,天线的波束变宽且波束畸变程度随偏焦角度的增大而增大,94 GHz 时的波束畸变与35 GHz时的相比更为严重。可见,增大焦径比可以改善馈源偏焦时天线的波束畸变。

图5 不同焦径比时偏置抛物面天线方向图(频率为35 GHz)

图6 不同焦径比时偏置抛物面天线方向图(频率为94 GHz)

2.2 馈源偏焦对天线波束畸变的影响

在空中目标毫米波焦平面阵列成像探测系统中,辐射计及馈源天线阵列在俯仰向覆盖±7.5°视场,因此,需要研究当馈源天线偏离焦点时,聚焦天线的波束畸变情况。以理想高斯源作为馈源,采用1.2节中所设计的抛物面天线和偏置抛物面天线,馈源位置在聚焦天线焦点至偏离焦点8°范围内变化(即馈源偏焦角θf为0°～8°),偏焦角变化间隔为1°,频率为35 GHz和94 GHz时聚焦天线波束变化的仿真结果如图7～图10所示。

图7 馈源偏焦对抛物面天线方向图的影响(频率为35 GHz)

由图7和图8可知,当频率为35 GHz时,馈源偏焦角θf由0°增大至8°,抛物面天线增益由53.85 dB 下降至52.14 dB,3 dB 波束宽度由0.40°增大到0.48°;偏置抛物面天线增益由53.83 d B 下降至46.45 dB,3 d B 波束宽度由0.40°增大到0.53°。

图8 馈源偏焦对偏置抛物面天线方向图的影响(频率为35 GHz)

由图9和图10可知,当频率为94 GHz时,馈源偏焦角θf由0°增大至8°,抛物面天线增益由62.43 d B 下降至55.40 dB,3 d B 波束宽度由0.13°增大至0.23°;偏置抛物面天线增益由62.42 d B 下降至48.10 dB,3 d B 波束宽度由0.14°增大至0.31°。

图9 馈源偏焦对抛物面天线方向图的影响(频率为94 GHz)

图10 馈源偏焦对偏置抛物面天线方向图的影响(频率为94 GHz)

可见,随着馈源偏焦角的增大,聚焦天线的增益逐渐下降,波束宽度逐渐展宽,波束不再是完美的“笔形”波束。与35 GHz频段天线相比,相同口径的聚焦天线在94 GHz频段的电尺寸更大,增益随偏焦角度变化更加剧烈,波束畸变也更加严重。比较抛物面天线和偏置抛物面天线,无论在35 GHz频段还是94 GHz频段,馈源天线偏焦时抛物面天线的波束畸变都小于偏置抛物面天线。仿真分析表明,在±7.5°的视场范围内,波束畸变均可接受,当馈源偏焦7.5°时,94 GHz的偏置抛物面天线波束畸变最大,波束展宽为不偏焦情况的2倍左右。

2.3 馈源天线阵列设计

馈源天线阵列采用35 GHz和94 GHz双频喇叭天线阵列。35 GHz馈源天线采用2排交错排列,94 GHz馈源天线采用单排排列,间距均为2λ。以94 GHz频段7单元馈源天线阵列为例进行建模仿真,分析互耦对单元间传输参数和馈源天线方向图的影响。该馈源喇叭天线排布结构如图11 所示。该馈源天线的S参数仿真结果如图12所示。可见单元间互耦均小于-30 d B,满足阵列单元互耦要求。

图11 94 GHz频段7单元馈源喇叭天线排布结构图

图12 94 GHz频段馈源天线的S 参数仿真结果

馈源天线组阵前后的辐射方向图如图13所示。馈源天线组成阵列后,对方向图的影响较小,在35 GHz频段,天线H 面边缘照射电平比组阵前下降0.3 d B,在94 GHz频段,天线H 面的边缘照射电平略有上升,比组阵前上升0.2 dB,满足准光路的设计要求。

图13 馈源喇叭天线组阵前后方向图对比

2.4 馈源喇叭天线的反射面偏焦特性仿真

2.1和2.2节中的仿真分析采用了理想高斯馈源对聚焦天线进行照射。为了对比采用理想高斯馈源和喇叭天线馈源的差别,利用设计的角锥喇叭天线对聚焦天线进行照射,在FEKO 软件中建模,采用多层快速多极子(MLFMM)和大面元物理光学(LEPO)法进行仿真分析,不同馈源的聚焦天线参数仿真结果见表4。

表4 不同馈源的聚焦天线参数对比

以35 GHz频段为例,采用喇叭天线作为馈源,与采用理想高斯馈源相比,聚焦天线增益略有下降,天线波束角变化较小。喇叭天线作为馈源的聚焦天线方向图仿真结果如图14所示。

图14 喇叭天线作为馈源时的聚焦天线方向图

2.5 支架影响分析

根据上述分析结果,在无源毫米波焦面阵成像探测系统中,与偏置抛物面天线相比,馈源偏离焦点时抛物面天线的波束畸变更小,但抛物面天线面临支架、辐射计及馈源阵列对光路的遮挡问题。

选用理想的高斯馈源进行照射,根据设计的天线尺寸,馈源排布偏角范围为±7.5°,确定横梁的尺寸为40 mm×40 mm×400 mm,用以模拟馈源阵列占据的空间,支架的横截面尺寸为20 mm×20 mm,支架与横梁连接,分析横梁和支架对抛物面天线及偏置抛物面天线聚焦特性的影响。包含支架的聚焦天线结构示意如图15所示。

图15 包含支架的聚焦天线结构

在35 GHz和94 GHz频段,有无支架的抛物面及偏置抛物面天线方向图仿真结果分别如图16和图17所示。由图16可知,对于抛物面天线,馈源阵列和支架对其旁瓣影响比较大,对主瓣的增益略有影响,但旁瓣的升高不影响天线的总体性能。由图17可知,对于偏置抛物面天线,馈源阵列和支架造成的散射场影响很小,只导致天线方向图旁瓣的微弱改变。

图16 有无支架抛物面天线方向图

图17 有无支架偏置抛物面天线方向图

3 结论

本文提出了空中目标无源毫米波焦平面阵列成像探测的准光路设计方法,将抛物面天线和偏置抛物面天线进行对比,详细分析了焦径比对聚焦天线性能的影响,以及馈源偏离焦点时聚焦天线的波束畸变。仿真结果表明:焦径比越大,馈源偏离焦点时对聚焦天线波束的影响越小;相比于偏置抛物面天线,当馈源偏离焦点时,抛物面天线具有更好的聚焦特性和较小的波束畸变。此外,本文模拟了馈源阵列和支架对聚焦天线波束的散射效应,为空中目标无源毫米波成像探测技术的应用奠定了重要的理论基础。