一種雙波束相控陣天線的設計與實現

鄔樹純，倪文俊

（中國電子科技集團公司51所，上海201802）

0 引 言

目前各國大量應用的雷達干擾系統，大多采用單波束天線。此類系統波束指向單一，通過機械轉動實現波束在空間的掃描。由于雷達體制的不斷改進和升級，雷達部署越來越密集，對雷達干擾系統也提出了更高的要求，其中多方位、多目標同時干擾就是擺在雷達干擾系統面前的一個具體問題。因此，同時多波束雷達干擾技術近年來倍受推崇。多波束是指天線向空中輻射的電磁波是由多個波束組成，每個波束覆蓋一定的空域，從而滿足對同時多方位、多目標的覆蓋需求。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，實現波束捷變。本文詳細介紹了一種用于雷達干擾發射系統的雙波束相控陣天線的設計與工程實現。

該相控陣天線的主要技術指標為：

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：2個（同時）；

掃描角度：0°、±12.2°、±25°、±40°7個固定波束。

1 基本原理

1.1 相控陣天線原理

假設第i個天線單元的激勵電流Ii具有相位iΔφB，那么第i個天線單元在遠區目標P處產生的電場強度Ei可表示為：

圖1 N單元均勻直線陣列

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

對于線性傳播媒質，比如在空氣中，電磁場方程是一個線性方程。那么，根據疊加定理，遠區目標P處的總場強可以認為是線陣中每個天線單元在P點處產生的輻射場強的疊加，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：

而一般來講遠區目標P點到0號天線單元的距離r0遠遠大于單元間距，因此式（4）中的idsinθ可以忽略不計。但是，在考慮天線單元之間的相位時，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），根據式（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，采用多個饋源相繼偏離拋物面天線的焦點，可以產生多波束。對于透鏡天線，多個饋源排列在它的前焦平面上相繼偏離焦點，也可以形成多波束。本設計采用多波束形成網絡，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電流之間產生一個固定的附加相位差。如果多組移相量各不相同的移相器并聯工作，構成多個波束的形成網絡，便可同時形成不同指向的多個波束。

以圖2中雙波束形成原理為例，共有N個陣元，相鄰陣元間距為d。波束1激勵信號通過N個功分器均分后，分別通過N個移相器，然后按照一定規律2路1組相加，饋入天線，形成2個波束。2個波束指向角分別為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現。

若相位差ΔΦ固定，則2個波束指向也是固定的；若ΔΦ可變，則波束也可按一定規律掃描。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 工程實現

（1）天線單元及陣面設計

根據帶寬、掃描范圍、功率容量等要求，選擇對數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 對數周期偶極子天線模型

根據式（8），按照波束寬度和增益要求，采用10×4個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）波束網絡設計

根據設計要求，該陣列天線需在方位面做7個固定角度的雙波束獨立一維掃描，采用了移相法實現同時雙波束。由于該相控陣天線水平單元間距d＝320mm，根據式（9）計算，在波束指向θ分別為0、±12.2°、±25°、±40°時，頻率在500MHz時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，為實現系統所需的各種掃描角度，每一列移相值最多只有6種狀態，不必使用數字移相器實現精確移相，因此采用了每列6組開關加延遲線（電纜）的方式實現移相功能。雙波束形成網絡組成原理框圖見圖5。

雙波束形成網絡有波束1和波束2共2個射頻激勵輸入通道，每路信號分別進入一分四功分器，再分別進入4組面對面的開關組，經開關組選擇不同的電長度通道后，波束1激勵信號和波束2激勵信號由一分二功分器合成同一通道共同進入一分十功分器，分成相同的10路信號，進入天線陣，每列10個功放輸入端。4組面對面共16個SP6T開關在48位晶體管－晶體管邏輯（TTL）控制之下，根據一定的控制關系使波束1和波束2均能產生7組不同的通道相位，從而使波束1和波束2可分別獨立指向7個不同的方位。

具體工作時，主控計算機根據工作波束的指向要求，將48位控制信號傳給波束形成網絡中的開關控制電路接口板，使開關選擇相應的通道，形成相應的行相位分布，實現波束的方位面掃描。

3 仿真與測試結果

對天線陣性能在設計時進行了仿真計算，加工完成后在室外場進行了測試，仿真與實測結果對比 如圖6所示。

圖5 雙波束形成網絡組成原理框圖

圖6 掃描方向圖對比

左側為仿真掃描方向圖，右側為波束1的掃描方向圖，3個測試頻點分別為起始、中心和終止頻率，波束2與波束1的方向圖基本一致，不重復給出。

從對比結果可以看出，天線設計達到了預期效果，滿足使用要求。

4 結束語

本文設計的相控陣雙波束天線實現了方位同時雙波束，可同時對2個方向的目標進行干擾。每個波束可在方位面±40°范圍內進行獨立掃描，克服了傳統干擾天線波束單一以及掃描速度慢等弱點。通過系統測試及外場試驗，系統性能滿足總體使用要求。

［1］張光義.相控陣雷達系統［M］.北京：國防工業出版社，1994.

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

［3］丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達原理［M］.北京：電子工業出版社，2009.