一種雙波束相控陣天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄔樹純，倪文俊

（中國電子科技集團(tuán)公司51所，上海201802）

0 引 言

目前各國大量應(yīng)用的雷達(dá)干擾系統(tǒng)，大多采用單波束天線。此類系統(tǒng)波束指向單一，通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波束在空間的掃描。由于雷達(dá)體制的不斷改進(jìn)和升級，雷達(dá)部署越來越密集，對雷達(dá)干擾系統(tǒng)也提出了更高的要求，其中多方位、多目標(biāo)同時(shí)干擾就是擺在雷達(dá)干擾系統(tǒng)面前的一個(gè)具體問題。因此，同時(shí)多波束雷達(dá)干擾技術(shù)近年來倍受推崇。多波束是指天線向空中輻射的電磁波是由多個(gè)波束組成，每個(gè)波束覆蓋一定的空域，從而滿足對同時(shí)多方位、多目標(biāo)的覆蓋需求。對于相控陣天線，僅通過改變饋入天線單元的相位即可使波束掃描，實(shí)現(xiàn)波束捷變。本文詳細(xì)介紹了一種用于雷達(dá)干擾發(fā)射系統(tǒng)的雙波束相控陣天線的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)。

該相控陣天線的主要技術(shù)指標(biāo)為：

工作頻率：P波段；

極化：斜45°極化；

增益：≥21dBi；

波束寬度：25°×6°（方位×俯仰，中心頻率）；

波束數(shù)：2個(gè)（同時(shí)）；

掃描角度：0°、±12.2°、±25°、±40°7個(gè)固定波束。

1 基本原理

1.1 相控陣天線原理

假設(shè)第i個(gè)天線單元的激勵(lì)電流Ii具有相位iΔφB，那么第i個(gè)天線單元在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)P處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度Ei可表示為：

圖1 N單元均勻直線陣列

式中：Ki為第i個(gè)天線單元輻射場強(qiáng)的比例系數(shù)，該系數(shù)與天線單元形式有關(guān)，在均勻直線陣列中，各個(gè)天線單元是相似元，即各天線單元形狀相同，單元方向圖一致，則比例系數(shù)Ki為常數(shù)K 。

對于線性傳播媒質(zhì)，比如在空氣中，電磁場方程是一個(gè)線性方程。那么，根據(jù)疊加定理，遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)P處的總場強(qiáng)可以認(rèn)為是線陣中每個(gè)天線單元在P點(diǎn)處產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)的疊加，即：

將Ki用K代替，則上式可簡化為：

在式（3）等號右邊的分母中，ri可以用r0代替。從圖1可以看出：

而一般來講遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)P點(diǎn)到0號天線單元的距離r0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單元間距，因此式（4）中的idsinθ可以忽略不計(jì)。但是，在考慮天線單元之間的相位時(shí)，r0不能代替ri。

綜上所述，式（3）可以表示為：

對于等幅饋電的陣列（即Ii為常數(shù)），根據(jù)式（7）可推算出3dB波束寬度：

1.2 移相法形成多波束原理

形成多波束的方法很多，采用多個(gè)饋源相繼偏離拋物面天線的焦點(diǎn)，可以產(chǎn)生多波束。對于透鏡天線，多個(gè)饋源排列在它的前焦平面上相繼偏離焦點(diǎn)，也可以形成多波束。本設(shè)計(jì)采用多波束形成網(wǎng)絡(luò)，通過移相法獲得多波束［3］。

利用相控陣天線形成多波束的原理和產(chǎn)生波束掃描的原理相同，即采用一組移相器使相鄰天線單元的激勵(lì)電流之間產(chǎn)生一個(gè)固定的附加相位差。如果多組移相量各不相同的移相器并聯(lián)工作，構(gòu)成多個(gè)波束的形成網(wǎng)絡(luò)，便可同時(shí)形成不同指向的多個(gè)波束。

以圖2中雙波束形成原理為例，共有N個(gè)陣元，相鄰陣元間距為d。波束1激勵(lì)信號通過N個(gè)功分器均分后，分別通過N個(gè)移相器，然后按照一定規(guī)律2路1組相加，饋入天線，形成2個(gè)波束。2個(gè)波束指向角分別為θ1和θ2，相鄰陣元之間引入的相位差分別為ΔΦ1和ΔΦ2。θ與ΔΦ的關(guān)系為：

式中：θ為波束指向；d為單元間距；ΔΦ為相鄰陣元之間的相位差，通常由移相器或電纜實(shí)現(xiàn)。

若相位差ΔΦ固定，則2個(gè)波束指向也是固定的；若ΔΦ可變，則波束也可按一定規(guī)律掃描。這里的移相器組可以放置在射頻部分，也可以放置在中頻部分。

2 工程實(shí)現(xiàn)

（1）天線單元及陣面設(shè)計(jì)

根據(jù)帶寬、掃描范圍、功率容量等要求，選擇對數(shù)周期偶極子天線作為陣列單元，其單元模型如圖3所示。這種天線單元增益約6～8dBi，波束較寬，適于寬帶組陣。

圖2 移相法多波束形成原理

圖3 對數(shù)周期偶極子天線模型

根據(jù)式（8），按照波束寬度和增益要求，采用10×4個(gè)天線單元組成平面天線陣。其排列方式示意和陣元間距如圖4所示。陣面分為4列10行，列間距dx＝320mm，行間距dy＝540mm。所有40個(gè)天線單元安裝于同一塊1 650×5 500的金屬底板上，單元軸線方向平行于安裝面法線方向，并朝向同一方向（即為天線波束最大值指向），所有單元的振子相互平行，且與水平面成45°夾角，以形成斜極化。

（2）波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該陣列天線需在方位面做7個(gè)固定角度的雙波束獨(dú)立一維掃描，采用了移相法實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙波束。由于該相控陣天線水平單元間距d＝320mm，根據(jù)式（9）計(jì)算，在波束指向θ分別為0、±12.2°、±25°、±40°時(shí)，頻率在500MHz時(shí)所需的各路移相值見表1。

圖4 主天線陣陣面示意圖

表1 各路移相量需求

從表中各值可以看出，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種掃描角度，每一列移相值最多只有6種狀態(tài)，不必使用數(shù)字移相器實(shí)現(xiàn)精確移相，因此采用了每列6組開關(guān)加延遲線（電纜）的方式實(shí)現(xiàn)移相功能。雙波束形成網(wǎng)絡(luò)組成原理框圖見圖5。

雙波束形成網(wǎng)絡(luò)有波束1和波束2共2個(gè)射頻激勵(lì)輸入通道，每路信號分別進(jìn)入一分四功分器，再分別進(jìn)入4組面對面的開關(guān)組，經(jīng)開關(guān)組選擇不同的電長度通道后，波束1激勵(lì)信號和波束2激勵(lì)信號由一分二功分器合成同一通道共同進(jìn)入一分十功分器，分成相同的10路信號，進(jìn)入天線陣，每列10個(gè)功放輸入端。4組面對面共16個(gè)SP6T開關(guān)在48位晶體管－晶體管邏輯（TTL）控制之下，根據(jù)一定的控制關(guān)系使波束1和波束2均能產(chǎn)生7組不同的通道相位，從而使波束1和波束2可分別獨(dú)立指向7個(gè)不同的方位。

具體工作時(shí)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)工作波束的指向要求，將48位控制信號傳給波束形成網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)控制電路接口板，使開關(guān)選擇相應(yīng)的通道，形成相應(yīng)的行相位分布，實(shí)現(xiàn)波束的方位面掃描。

3 仿真與測試結(jié)果

對天線陣性能在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了仿真計(jì)算，加工完成后在室外場進(jìn)行了測試，仿真與實(shí)測結(jié)果對比 如圖6所示。

圖5 雙波束形成網(wǎng)絡(luò)組成原理框圖

圖6 掃描方向圖對比

左側(cè)為仿真掃描方向圖，右側(cè)為波束1的掃描方向圖，3個(gè)測試頻點(diǎn)分別為起始、中心和終止頻率，波束2與波束1的方向圖基本一致，不重復(fù)給出。

從對比結(jié)果可以看出，天線設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的相控陣雙波束天線實(shí)現(xiàn)了方位同時(shí)雙波束，可同時(shí)對2個(gè)方向的目標(biāo)進(jìn)行干擾。每個(gè)波束可在方位面±40°范圍內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立掃描，克服了傳統(tǒng)干擾天線波束單一以及掃描速度慢等弱點(diǎn)。通過系統(tǒng)測試及外場試驗(yàn)，系統(tǒng)性能滿足總體使用要求。

［1］張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

［2］Mailloux Robert J（美）.相控陣天線手冊［M］.南京電子技術(shù)研究所譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達(dá)原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.