數(shù)字陣列天氣雷達(dá)低副瓣天線設(shè)計(jì)

謝科

摘 要： 為天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)一維相掃相控陣天線，方位面副瓣低于-30 dB，波束寬度小于1°，俯仰面接收副瓣低于-40 dB。方位面波束采用窄邊波導(dǎo)裂縫陣列天線實(shí)現(xiàn)，采用全數(shù)字T/R組件精確控制幅度和相位，實(shí)現(xiàn)低于-40 dB的俯仰面接收副瓣。測試結(jié)果表明，副瓣電平與波束寬度指標(biāo)與理論值吻合較好，滿足指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字相控陣； 低副瓣； 校正； 天氣雷達(dá)

中圖分類號： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0020?03

0 引 言

多普勒天氣雷達(dá)大多采用機(jī)械掃描方式進(jìn)行觀測，掃描速度較慢，對快速多變的天氣系統(tǒng)（如雷暴、冰雹和龍卷風(fēng)）的探測不能滿足要求。相控陣天氣雷達(dá)[1?2]可以對指定空域的重點(diǎn)氣象目標(biāo)在一定方位和俯仰范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)探測，快速得到風(fēng)暴單體的精細(xì)立體結(jié)構(gòu)。要求設(shè)計(jì)的天氣雷達(dá)天線工作頻率在X波段，相對帶寬小于1%，天線極化為水平極化。一維固定波束采用窄邊波導(dǎo)裂縫陣列天線[3?5]來形成，一維相掃采用全數(shù)字T/R組件控制相位來實(shí)現(xiàn)波束掃描。波導(dǎo)裂縫陣列天線容易控制波導(dǎo)裂縫口徑面的幅度分布，體積較小，口徑面利用效率高，易于實(shí)現(xiàn)低副瓣，帶寬適中，在雷達(dá)中廣泛使用。全數(shù)字相控陣可實(shí)現(xiàn)的最小相移量可以十分小，波束躍度可以非常小，波束指向的實(shí)現(xiàn)十分靈活和準(zhǔn)確。移相器量化誤差非常小，量化副瓣幾乎可忽略不計(jì)，為實(shí)現(xiàn)超低副瓣帶來了現(xiàn)實(shí)的可能性。

1 天線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)低副瓣的窄邊波導(dǎo)裂縫陣列天線，需要若干根等傾角的波導(dǎo)裂縫線源組成平面陣列，精確確定在陣列互耦條件下的增量電導(dǎo)和縫隙的諧振長度。以前通常采用試驗(yàn)來獲得這些數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且成本較高。隨著商業(yè)電磁仿真軟件的迅速發(fā)展，現(xiàn)在可采用HFSS仿真來獲得這些數(shù)據(jù)，考慮互耦影響，先在HFSS建立實(shí)際設(shè)計(jì)陣列條件下的等傾角的5根裂縫波導(dǎo)組成的陣列進(jìn)行仿真，獲得該傾角條件下的縫隙諧振長度和增量電導(dǎo)。同理可獲得其他傾角條件下的縫隙諧振長度和增量電導(dǎo)。然后根據(jù)需要的電導(dǎo)分布來確定每個(gè)縫隙的傾角和切入深度，在HFSS中建立波導(dǎo)縫隙陣列天線的仿真模型，對波導(dǎo)裂縫天線電性能進(jìn)行仿真計(jì)算。窄邊波導(dǎo)裂縫線源如圖1所示。

為了滿足方位面波束寬度小于1°和副瓣電平優(yōu)于-30 dB的要求，縫隙間距選取約0.675λ（λ為工作波長），縫隙數(shù)量102個(gè)，口徑幅度分布選擇副瓣電平為-37 dB、等副瓣個(gè)數(shù)為6的泰勒分布。幅度分布見圖2。

在波導(dǎo)裂縫陣設(shè)計(jì)中，需將口徑幅相分布轉(zhuǎn)換為所需的電導(dǎo)分布。電導(dǎo)分布如圖3所示。

垂直面掃描30°，為保證掃描到最大角度時(shí)不出現(xiàn)柵瓣，相鄰波導(dǎo)裂縫線源之間間距取約0.66λ（λ為工作波長）。根據(jù)上述結(jié)果，在HFSS中建立5根波導(dǎo)裂縫線源組成的陣列進(jìn)行仿真，仿真模型示意圖如圖5所示，方位面方向圖仿真結(jié)果如圖6所示，波束寬度仿真結(jié)果為0.98°，最大副瓣電平約-31 dB。

為實(shí)現(xiàn)超低的接收副瓣電平，還對各通道的幅度相位一致性提出了嚴(yán)格的要求，必須在系統(tǒng)內(nèi)提供定標(biāo)及校正設(shè)備[6]。天線校正模式可采用逐一自檢的校正方式：接收采用同時(shí)逐一自檢校正；發(fā)射采用分時(shí)逐一自檢校正。校正系統(tǒng)框圖如圖7所示。

校正基準(zhǔn)在微波暗室采用平面近場法獲得，發(fā)射校正時(shí)，全數(shù)字T/R組件選擇一個(gè)發(fā)射通道發(fā)射，其他通道關(guān)閉，采樣架探頭走到已打開的發(fā)射通道對應(yīng)的波導(dǎo)裂縫線源中間的正前方，記錄接收到信號的幅度和相位，依次完成所有通道的測試和記錄，然后對發(fā)射通道之間相位進(jìn)行補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上各測試發(fā)射通道到校正T/R之間的耦合幅度相位數(shù)據(jù)，獲得外場使用的發(fā)射校正的基準(zhǔn)。接收校正跟發(fā)射校正類似，不同的是采樣架探頭發(fā)射，全數(shù)字T/R組件通過相應(yīng)的波導(dǎo)裂縫線源接收，需要對幅度和相位都進(jìn)行補(bǔ)償。

2 校正及測試結(jié)果

接收波束俯仰面要求實(shí)現(xiàn)-40 dB的副瓣電平，對幅度和相位的精度控制要求非常高。圖8顯示的3次接收校正補(bǔ)償后相位分布。3次接收校正補(bǔ)償后通道之間相位起伏在±1°之內(nèi)。在此基礎(chǔ)上對天線的方向圖進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖9所示。

測試結(jié)果表明，方位面波束寬度為0.98°，最大副瓣電平為-32.5 dB；俯仰面接收DBF測試最大副瓣約-42 dB，滿足指標(biāo)要求。方位面最大副瓣測試結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果，經(jīng)分析其主要是由于實(shí)際有128根波導(dǎo)裂縫線源組成陣列，比仿真規(guī)模大不少，系統(tǒng)對加工誤差的容忍能力較大，導(dǎo)致測試結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。

3 結(jié) 語

采用窄邊波導(dǎo)裂縫陣列天線，通過HFSS仿真，提取出互耦狀態(tài)下的不同傾角的諧振長度和電導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)幅度分布確定的電導(dǎo)分布選擇裂縫傾角和縫深，在HFSS中建立5元小陣模型仿真，實(shí)現(xiàn)方位面低副瓣，縮短了研制周期。

采用微波暗室校正和全數(shù)字T/R組件精確控制幅度相位，可實(shí)現(xiàn)俯仰面超低接收副瓣。在微波暗室進(jìn)行校正和天線性能測試，測試結(jié)果表明，方位面波束寬度、最大副瓣電平和俯仰面接收副瓣與理論設(shè)計(jì)結(jié)果吻合，滿足指標(biāo)要求。

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