毫米波多功能有源相控陣天線設計與實現

楊亞兵 程 杰 李緒平 姜世波

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某型毫米波有源相控陣雷達系統采用方位±45°寬角相掃、兩維單脈沖體制，技術體制先進、性能要求很高。除滿足雷達功能外，該系統兼具詢問機、主動偵查與干擾等功能，是一部典型的毫米波多功能電子系統。

該系統性能的優劣很大程度上取決于有源進行優化設計［1］相控陣天線的設計性能。因此，為實現多功能、集成化設計要求并滿足技術指標，必須綜合考慮各種設計要素對有源相控陣天線波導縫隙天線由于具有低損耗、高效率、口徑分布易控制，便于實現低副瓣以及結構緊湊可靠等特點，已廣泛應用于微波與毫米波雷達、電子戰、通信導航等電子系統，是一種常用的天線形式［2-3］。然而，該毫米波有源相控陣天線系統的相對工作帶寬約12 ﹪(f0±2GHz)，若采用常規的矩形波導駐波陣很難滿足帶寬要求，并且由于其波導寬度尺寸的限制，也不利于相控陣天線大角度相掃特性的實現。

基于此，綜合考慮工作帶寬、極化方式、增益、方位面相掃體制以及整體結構強度、對外電氣接口等方面的要求，俯仰維采用單脊波導寬邊縫隙［4，5］形式設計線陣元，并以此線陣元在方位維組陣進而得到整個天線輻射陣面。對于有源相控陣天線系統的設計，運用集成一體化設計思路，在電氣與結構設計上保證整個系統有機整合。樣機實測結果表明，設計的毫米波多功能有源相控陣天線系統性能優良、穩定可靠，進一步證實提出的實現方案合理可行。

1 天線系統設計

毫米波有源相控陣天線的設計需要綜合考慮工作帶寬、輻射效率和副瓣電平等電氣性能，以及可靠性、經濟性、實用性等多方因素的限制，從輻射陣面、T/R 組件、饋電網絡、系統集成等方面尋求最優化設計。

1.1 系統組成與功能

如圖1所示，有源相控陣天線系統主要由天線輻射陣面、T/R 組件、饋電網絡、檢測校準網絡、波控機、DC-DC 二次電源、集成安裝框架和散熱機構等組成。

圖1 相控陣天線系統組成示意圖

發射模式下，毫米波信號由頻綜輸出，經預功率放大器放大后，產生T/R 組件所需要的激勵功率，通過和口由饋電網絡分配后輸出給T/R 組件。T/R組件將大功率信號送至輻射陣面，向自由空間輻射。接收模式下，空間信號經過天線陣面接收后，送至T/R 組件放大鏈路放大，經過饋電網絡合成后經和口、俯仰差口、方位差口送至接收機。以此，完成雷達和敵我識別詢問機的功能。此外，該天線系統具有主動偵查與干擾功能，接收照射到天線孔徑上的非合作雷達信號，并將產生的有源干擾信號發射到指定空域中。

1.2 輻射陣面設計

有源相控陣天線線陣元的輻射波導和饋電波導均選為單脊波導形式，如圖2所示。這主要是因為脊波導的截止波長較同尺寸的矩形波導大，即脊波導的單模工作帶寬要大于同尺寸的矩形波導。同時，脊波導的尺寸遠小于相同工作頻率下的矩形波導尺寸，利于方位面大角度掃描特性的實現。

圖2 單脊波導及寬邊縱縫示意圖

天線陣面采用矩形網絡布局，陣面規模為24 ×56。整個天線共有56 個線陣單元和112 個T/R 組件，線陣單元沿方位(E 面)以5mm 等間距排列，組成整個天線陣面。

為了實現兩維單脈沖功能，需要將整個陣面等分成四個子面陣，即四個象限。每個象限內部的線陣單元先通過T/R 組件模塊進行初級合成，再通過功率分配網絡實現次級功率合成，最后通過單脈沖網絡組合在一起，實現方位、俯仰兩維單脈沖功能。

1.3 饋電網絡設計

饋電網絡除了作為T/R 組件前級的激勵網絡外，還應具有單脈沖功能。它由四個功率分配網絡、一個單脈沖和差網絡以及出口轉換波導組成。所需設計的功分饋電網絡總規模為28 路合成。在每個象限內部先將與T/R 組件模塊激勵口連接的7 路合成為一路，在將四個象限合成的四路與單脈沖網絡連接，進而實現兩維單脈沖功能。為了將相控陣天線系統對外電氣接口(和口、方位差口以及俯仰差口)置于指定位置，以與其他分系統電氣連接，還需要出口轉換波導。

由于物理尺寸、加工、裝配關系的限制，饋電網絡必須設計成平面結構形式，并且要求合理布局，進行小型化設計。圖3 為饋電網絡仿真圖。

圖3 饋電網絡仿真示意圖

2 關鍵技術分析

2.1 寬帶共口徑天線設計

由于要滿足雷達、詢問機以及主動偵查與干擾功能需求，天線共口徑寬帶化設計是需要著力解決的關鍵問題。脊波導線陣元輻射縫隙采用駐波子陣形式，合理劃分子陣可以展寬阻抗帶寬。子陣饋電網絡采用并聯饋電形式，利于寬帶實現。設計中，子陣劃分的原則是:并聯饋電網絡每一級T 型不等幅功分器功分比不能過大。

圖4 線陣元結構示意圖

依據上述思路，具體的線陣縫隙單元布局及子陣劃分如圖4所示，可見每一側劃分為四個子陣，縫隙數分別為4、3、3、2，通過兩級T 型不等幅功分器可完成合成。

2.2 檢測校準網絡設計

檢測校準網絡與整個無源天線陣面集成設計。采用的耦合方式為單孔耦合，即在主波導寬邊上開適當尺寸的圓孔，與主波導位置相正交的耦合波導通過該圓孔進行能量耦合。為了不影響陣面性能、不增加整陣厚度等，主波導選為陣面天線單元饋電網絡最后一級合成出口的單脊波導，如圖5所示。

圖5 單孔耦合方式示意圖

2.3 主動偵查賦形波束設計

為了滿足主動偵查要求的90°寬波束方位面覆蓋能力，基于非線性最優化方法—遺傳算法，采用僅相位加權為主、幅度加權為輔的方法，對天線方位面波束進行展寬。優化過程中，選擇適當的適應度函數，對主瓣展寬倍數、副瓣電平等加以約束，且將移相器量化誤差考慮在內。這樣的方法，并不增加系統硬件成本以及復雜度，僅僅是通過軟件層面改變波控碼來控制天線口徑幅相分布，從而實現波束賦形展寬。

3 實驗驗證與結果分析

在方案設計、理論分析與仿真設計的基礎上，加工了該有源相控陣天線系統的無源部件，圖6 為輻射陣面實物圖。

圖6 天線輻射陣面實物圖

相控陣天線系統各有源無源部件齊套，經裝配、調試以及口面場校準后，進行遠場性能驗證。為了保證足夠威力，發射狀態有源相控陣天線各通道功率飽和輸出。通過對雷達、詢問機、主動干擾各功能發射方向圖測試可見，總體上發射方向圖掃描特性良好，大角度掃描沒有出現不期望的方向圖變形、甚至性能惡化。但是，當詢問機天線波束掃描到±45°時，增益較零指向下降約6dB。這主要是因為詢問機工作頻率在有源系統頻率高端，此時T/R 組件有源器件特性不理想，并且輻射陣面通道有源匹配性能較差造成能量反射。

接收狀態有源饋電網絡可幅相同時加權，幅度加權可降低副瓣，工程實現采用Taylor 錐削分布。圖8 是接收狀態下，方位副瓣理論設計32dB 時雷達、詢問機中頻和波束方向圖實測結果。由于各有源通道幅相誤差的影響，實測方向圖副瓣電平與理論值有所偏差。盡管這樣，雷達零指向方向圖副瓣電平達到了-30dB，即使在寬角掃描時副瓣電平也能優于-26dB。

圖7 方位面發射掃描方向圖

主動偵查中心頻率方位方向圖如圖9所示，可見90°角域波束平頂波動6dB，達到玻束賦形的目的。

4 結論

研制毫米波多功能有源相控陣天線系統對于某型雷達技術性能實現至關重要。結合研制要求，本文提出了該相控陣天線系統設計與實現方案，對其從系統組成、工作原理等方面進行了闡述，并對涉及的關鍵技術進行了詳細分析。基于單脊波導寬邊縫隙陣形式，合理設計輻射陣面布局。電氣與結構設計運用集成化設計思路，優化相控陣天線系統設計。驗證試驗結果表明，所研制的多功能有源相控陣天線系統具有優良電氣與結構特性，可以滿總體技術要求。

圖8 方位面接收掃描方向圖

圖9 主動偵查方向圖實測結果

［1］孫慧峰，鄧云凱，雷宏.一種C 波段寬帶二維掃描固態有源相控陣天線設計與實現［J］.中國科學院研究生院學報，2012，(2):282-287.

［2］丁曉磊，徐磊.寬頻帶高效率平板縫隙天線的研究［J］.遙測遙控.2009，(5):42-48.

［3］Sembia.Waveguide Slot Array Antenna Designs for Low Average Sidelobe Specifications［J］.IEEE antennas and Prop.2010，52(6):89-98.

［4］W.Wang，S.-S.Zhong.A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propa.2006，54(8):2416-2420.

［5］金劍，汪偉，萬笑梅.寬帶單脊波導縫隙天線陣設計［J］.中國電子科學研究院學報.2007(2):152-154.