一种数字相控阵天线阵面的研制

2024-01-03尚玉玺

雷达与对抗 2023年4期

蔡潇,樊品,尚玉玺

(1.海装上海局,上海 201300;2.南京长江电子信息产业集团有限公司,南京 210038)

0 引言

数字相控阵天线阵面由于其波束和调度的灵活性而备受重视。使用要求、环境、场景不同,对数字相控阵天线阵面的研制要求也不同。本文研制的两维数字相控天线阵面要求采用水平极化,方位和俯仰最大扫描分别为60°、30°。为了降低天线方位扫描到极限时增益下降过快,水平共线阵子水平方向图进行了展宽,因此两维互耦都比较严重,天线副瓣更难控制。

针对上述要求,本文提出一种研制方法:通过优化设计,合理划分子阵,改善辐射单元形式和辐射电流,有效解决了水平共线阵子双向大扫描角互耦强、大扫描角增益下降过快和天线扫描低副瓣等问题;通过复合设计辐射单元和校准网络,解决了低副瓣天线要求的幅相剩余误差问题。经测试,按照本文方法研制的天线阵面满足总体使用要求。

1 天线性能计算

1.1 天线扫描间距

首先根据天线的阵面倾角、整机要求的空域覆盖,完成大地坐标系到天线正弦坐标系的变换,然后根据式(1)计算栅瓣单位圆与波束扫描空域位置图[1],如图1所示。根据面积最大法,同时考虑天线波束宽度择优选出天线的单元间距,设计采用三角栅格,以便降低互耦和节约成本。

图1 栅瓣单位圆与波束扫描空域图

αx=cosEsinA

αy=sinEcosT-cosEsinTcosA

(1)

其中:αx和αy分别为正弦空间平面的X和Y轴;E为俯仰最大覆盖角;A为方位扫描角;T为阵面倾角。

1.2 天线性能理论

根据整机使用,天线选择水平极化,同时根据天线的副瓣电平、波瓣宽度、方向性系数[2]等要求,确定天线阵面的布局、边界、单元形式、天线口径和电流分配形式,然后利用下式计算天线的辐射波瓣图:

(2)

1.3 全空域搜索天线扫描角

天线采用水平极化,水平扫描角度比较大,双向互耦均比较强,如果输入阻抗在波束扫描过程中发生巨大变化,将导致阵列与收发之间严重失配,大的反射系数将使发射的频率漂移,或者使阵列在某些扫描空域出现盲点,既不辐射,也收不到能量。因此须计算出全空域搜索的各个扫描角,然后对其天线阻抗进行计算和匹配。

首先根据系统给出的方位最大扫描范围和仰角最大覆盖,计算出探测空域轮廓,然后进行波位排布。不同于传统的机械扫描,相控阵天线波束会随着扫描角(即偏离阵面法线的夹角)的变大而展宽,波束形状也会改变,波束排列不均匀,同时波束在空间中的跳变存在最小波束跃度,按照系统坐标系进行波位编排会非常复杂,而采用正弦坐标系则比较简单[3]。同时,对于给定的搜索监视空域,波位位置除了与波束性能有关以外,还与波位排列方式密切相关。此次设计的天线波束在阵面上的投影为一椭圆,椭圆率比较大,探测不能出现漏情现象,如果采用列状波束或交错波束都会出现漏情。因此采用低损耗波位编排,但仰角高的地方适当放宽,采用5 dB进行交错重叠覆盖,收发波位的排布如图2和图3所示。根据各波位的中心坐标,反算出天线阵面的各种扫描角,同时也可生成天线的波控码。

图2 按照最低损耗排列接收波位的位置

图3 按照最低损耗排列发射波位的位置

1.4 天线匹配性能

根据计算出的天线扫描角进一步计算天线不同频率、不同扫描角的输入阻抗。天线阵面振子采用偶极子形式,采用矩量法[4]计算天线振子的互耦和电流:

(3)

(4)

其中:基函数

s=1,2,…,M,t=1,2,…,N,m=1,2,…,ND-1

p=1,2,…,M,q=1,2,…,N,n=1,2,…,ND-1

式(3)可以简写为

(5)

阻抗矩阵和电压矩阵中的元素是已知的,解此线性方程组就可得到阵列中各振子分段节点处的电流值,从而确定各振子上的电流分布。如式(6),由各振子中点的电流值与馈电电压的比值就可确定其输入阻抗,根据输入阻抗即可求出有源匹配:

(6)

阵面中间和边缘天线振子各种扫描情况下的匹配实际测试结果如图4、图5所示。

图4 阵面中间天线单元不同频率、不同扫描角的有源驻波实测结果

1.5 子阵划分和数字波束形成

考虑到成本和阵面结构的复杂性,天线采用子阵形式进行数字化[5],子阵大小须综合考虑系统的瞬时工作带宽以及量化对多波束、差波束的副瓣性能影响,并理论计算验证是否满足要求。天线方向图分解成子阵阵因子F1(θ,φ)和子阵方向图F2(θ,φ),根据阵列方向图理论,利用下式计算天线方向图:

(7)

改变子阵的输入幅度和相位,即可实现和、方位差、俯仰差波束和数字多波束。矩形阵列由M1(Y向)×N1(X向)个子阵组成,每个子阵由K1(Y向)×K2(X向)个天线单元组成,主波束指向(θ0,φ0)。图6为天线阵面数字波束形成框架图,图7为子阵数字化的方位和差波束理论计算方向图。

图6 天线阵面数字波束形成框架图

图7 天线阵面和差水平方向图

2 天线辐射单元设计

天线辐射单元的设计须满足如下要求:

1)频率范围;

2)天线辐射单元的极化形式;

3)阵中天线辐射单元的无源驻波ρ≤1.4;

4)阵中天线辐射单元E面方向图60°时单元增益下降不超过3.0 dB,垂H面方向图30°时单元增益下降不超过2.0 dB。

天线辐射单元采用印刷阵子设计,采取去耦和展宽波束,其模型如图8所示。图9为阵中天线单元无源驻波,图10为阵中天线单元E面和H面的方向图。

图8 单个辐射单元的设计模型

图9 阵中单个辐射单元的无源驻波

图10 阵中单个辐射单元E面和H面的方向图

3 天线辐射单元与监测网络复合设计

随着系统对天线副瓣、差波束的零深要求不断提高,除了合理选择幅相加权函数、控制好互耦外,还要严格控制口径的幅相误差,幅相误差包括量化误差、制造误差、装配误差、有源通道微波器件不一致性和稳定性误差,因此须对系统中的发射通道、接收通道进行幅频、相频误差测量。

研制的低副瓣天线首先在微波暗室用测试探头进行外校准,并作幅度、相位补偿至可接受的配平状态,同时保存内外校准配平前采集的收发幅相数据,作为后期校准补偿的基础。本设计将内监测网络放在天线上,尽量靠近天线辐射单元,复合设计天线辐射单元和监测网络,消除天线与后端不匹配带来的输入电流的幅相误差,以提高幅相误差补偿的准确性。辐射单元与监测网络复合设计布置如图11、12所示,图13为天线阵面校准信号流程,图14、15为天线阵面校准后的相位剩余误差和幅度剩余误差。

图11 辐射单元与监测网络复合设计的正面布置图

图12 辐射单元与监测网络复合设计的背面布置图

图13 整个天线阵面收发校准网络图

图14 整个天线阵面校准后的相位误差图

图15 整个天线阵面校准后的幅度误差图

4 研制与测试

天线阵面如图16所示。在微波暗室完成天线方向图测试,图17、18分别为接收状态下不同扫描情况的方位方向图和俯仰方向图,图19为接收状态下的方位和差方向图,图20为发射状态下俯仰的展宽波瓣图。从图17可以看出:当天线方位扫描到60°时,天线增益相比法线增益下降不超过4 dB,天线副瓣不超过-32 dB,满足总体使用要求。