一種測向陣列天線的研究

王雁濤

（海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 610036）

0 引 言

在傳統交叉波束測向中，運用90°移相方法能夠合成左、右交叉波束，其交點電平穩定地維持在“和”波束最大電平-3dB處，此方法形成的交叉波束測向要利用和、差波束劃定粗測向區域才能保證交叉波束測向唯一性，實現較高精度測向；而陣列測向波束形成網絡由3dB的90°定向耦合器完成。但基于3dB的90°定向耦合器的相位特性，合成左、右交叉波束副瓣電平較高，約-5～-6dB，波束形成網絡幅度不一致，導致形成的左、右交叉波束幅度不一致，引起交叉點電平不能保證恒定，從而影響測向誤差［1］。

另一種經典的交叉波束測向方法是設計天線的波束在寬頻帶范圍內基本恒定，通過一定值機械安裝角度實現波束比較恒定交叉，優點是天線單元間沒有相位關系，不存在波束畸變，且副瓣電平較低，但要求波束恒定度非常高。通過控制喇叭天線口徑場的平方率相位差，在微波頻段實現天線單元波束基本恒定［2］。但在分米波頻段，由于天線單元為線天線，實現波束恒定困難，基本上頻率變化1倍，波束寬度也變化1倍，其交叉點電平為-2～-10dB，變化較劇烈，無法滿足使用要求。因此，在線天線陣列中，有必要研究一種方法既實現交叉波束降低副瓣且保證波束交叉點電平基本恒定，又不需要和、差波束劃定粗測向區域實現高精度測向。

1 測向陣列天線的設計

通過對陣列天線輻射特性研究，提出采用多路功率合成／分配網絡和不同相移量的多路微波Schiffman移相器組成波束形成網絡對陣列饋電，合理取舍陣列間距，并控制移相器移相量的大小，能基本保證交叉波束點恒定，并能將測向陣副瓣控制在-10dB以下，采用心臟型差波束副瓣抑制陣列解決測向天線陣超寬帶副瓣抑制問題。

1.1 超寬帶偶極子天線設計

天線陣元采用一種套筒加載的寬帶偶極子天線，該振子天線由SMA型同軸線饋電，經一個“八”字形狀同軸——振子平衡變換器后，將同軸橫電磁波（TEM）饋電給偶極子天線。該偶極子天線屬于一種經典半波振子天線變形，常規的半波偶極子只能在較窄頻率帶寬內工作。為展寬天線工作帶寬并縮小振子天線尺寸，在半波偶極子天線饋電中心采用了套筒加載措施，在振子末端采用了容性加載方法，十字形的翼片可以縮小偶極子長度。為進一步展寬天線帶寬，縮小天線尺寸，在常規套筒加載的基礎上，進一步采用了∏形金屬盒和三角形金屬塊進行加載。為提高天線單元的增益，本天線還在饋電平衡架末端引入了一個金屬反射板，該反射板的作用與八木天線的反射器是一致的，可以明顯提高輻射天線增益。精確設計的加載型半波偶極子天線，其輻射方向圖類似于惠更斯元輻射方向圖，是一個寬波束、近似心臟型的方向圖，非常適合作為天線陣列陣元。在使用時，陣元按斜45°極化方式安裝使用。圖1為陣元結構圖，圖2為陣元典型頻率輻射方向圖計算值。

圖1 天線陣元結構圖

該套筒加載偶極子天線已研制成功，其半功率波束寬度為60°～110°，天線增益大于4dB，適合作為陣列天線陣元。

圖2 天線陣元典型頻率方向圖計算值

1.2 測向陣列和副瓣抑制陣列設計

通過2個天線子陣達到5∶1工作帶寬，每個測向子陣天線均由6個超寬帶套筒加載的偶極子天線和微波波束形成網絡組成。其中微波波束形成網絡由微波功率合成／分配器構成0°、22.5°、45°、67.5°、90°、135°和 0°、-22.5°、-45°、-67.5°、-90°、-135°兩組固定微波移相，分別給陣列單元饋電，合理選取陣列間距，將交叉波束點電平基本控制在-3dB附近。

模擬理論分析表明能夠將測向天線副瓣控制在被副瓣抑制天線所切除范圍內，圖3為測向天線陣原理圖。

圖3 測向天線陣原理圖

其理論分析計算式為：

式中：Eo（θ，f）為套筒加載偶極子輻射場強；f為工作頻率；d為陣元間距。

在頻率低端測向天線陣列中，陣列間距取0.48λo，在頻率高端測向天線陣列中，陣列間距取0.513λo（λo為各子陣中心頻率波長）。

副瓣抑制天線陣列由一個三角形陣列構成，圖4為副瓣抑制天線陣的原理圖。其中前向兩元分別左右各傾角30°實現對前向測向陣列副瓣抑制，后向180°方位空域由一個后向套筒加載偶極子天線覆蓋。計算可知，該天線基本能夠滿足副瓣抑制要求，若個別頻率不能滿足要求，可以通過數字化接收機算法處理或在系統上將另一組陣列天線的副瓣抑制天線陣共同使用，完成測向陣抑制遠區副瓣問題，由于測向陣列后向副瓣較低，一個套筒偶極子可以解決后向副瓣抑制問題。

圖4 副瓣抑制天線陣原理圖

為解決3個天線單元間距較大，在波束合成過程中相互干涉的問題，在各陣元輸入相位上引入了不同相位差，基本可以保證副瓣抑制方向圖出現干涉波束零深，在設計時已考慮波束形成網絡各自的端口和網絡損耗。前向副瓣抑制計算公式為：

式中：±30°為前向陣列單元的左右傾角；d為陣元的間距，在頻率低端的副瓣抑制天線陣間距為0.64λo，在頻率高端的副瓣抑制天線陣間距為0.933λo（λo為中心頻率的波長）。

圖5為典型頻率測向陣列和副瓣抑制陣列方向圖計算結果，從圖中可知，測向陣列滿足測向左、右交叉波束交點電平及副瓣抑制要求，圖6為測向陣列組件的結構示意圖，圖7為測向陣列組件波束實測圖，表1、表2為方位面波束計算值與實測值，滿足測向系統對波束寬度的要求。

圖5 測向陣列和副瓣抑制方向圖計算值

圖6 測向陣列組件構成示意圖

圖7 測向陣列組件波束實測圖

表1 低端陣列測向面波束寬度計算值與實測值

表2 高端陣列測向面波束寬度計算值與實測值

2 結束語

由表1、表2和圖7實際陣列的波束測量結果可以看出：交叉波束的交點電平非常穩定，天線陣列組件測向精度在0.5°（rms）以內，遠低于2°（rms）的技術要求，較好地解決了交叉波束測向。既要求交點電平恒定，又要求天線方向圖副瓣較低的要求，尤其當天線陣安裝在艦船上，由于天線測向精度是由陣列及波束形成網絡決定，受船體搖擺影響較小，在艦船上使用比常規交叉波束測向具有更大優勢。

［1］ 唐益民.天線交叉波束指向誤差分析［J］.電子對抗技術，2001（2）：27-30.

［2］ 唐益民.非平面波介質透鏡及最佳跟蹤喇叭［J］.電子對抗技術，1997（02）：53-54.