彈載主被動復合雷達天線配置方案

劉永

彈載主被動復合雷達天線配置方案

劉永

（海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，南京210006）

針對彈載雷達發(fā)展需求，探討了實現(xiàn)彈載主被動復合雷達天線的技術(shù)途徑。針對雙頻反射面天線，提出了一種雙頻反射面天線的配置方案；針對寬帶復合天線，研究了被動模式寬帶天線的選型和主動模式天線的設(shè)計方案，提出了寬帶復合天線的配置方案。

彈載雷達；復合天線；寬帶天線

彈載雷達是面向?qū)さ闹茖?yīng)用的一類雷達系統(tǒng)，由于彈上空間和資源的限制，通常要求在提高探測能力的同時具有體積小、功耗低的特點。隨著彈載雷達探測能力的擴展，對彈載雷達天線提出了更多需求。

彈載雷達的探測目標通常為非合作目標，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日趨惡劣，為滿足獲取更多的目標特征、提高彈載雷達尋的制導過程中的目標識別能力、突防能力和制導精度的需求，采用主動/被動雷達復合系統(tǒng)已成為彈載雷達系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。對主動/被動雷達復合尋的制導系統(tǒng)而言，毫米波段已成為彈載雷達主動模式的常用工作頻段之一，對于被動雷達工作模式，通常需要覆蓋整個微波波段甚至更低。為此，需要在彈載環(huán)境下有限空間內(nèi)實現(xiàn)可以工作在多個頻段、寬頻段的天線系統(tǒng)[1-2]。

本文針對彈載雷達發(fā)展需求，探討了實現(xiàn)彈載主被動復合雷達天線的技術(shù)途徑，主要包括雙頻反射面天線和寬帶復合天線。針對雙頻反射面天線，提出了一種雙頻反射面天線的配置方案；針對寬帶復合天線，討論了被動模式寬帶天線的選型和主動模式天線的設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上提出了寬帶復合天線的配置方案。

1 雙頻反射面天線

彈載主被動復合雷達采用雙頻天線時，彈載雷達的主動和被動模式均工作于不同的窄帶頻段，分別實現(xiàn)2個頻段的目標信息探測，如主動模式實現(xiàn)目標運動學參數(shù)的探測，被動模式實現(xiàn)目標在特定工作頻段所輻射（發(fā)射）微波信號的探測。

通過貼片天線單元的雙頻段設(shè)計，利用微帶天線陣可以方便實現(xiàn)天線的雙頻段工作，但由于功率容量的限制，目前在彈載雷達中尚未得到廣泛應(yīng)用[3]。利用反射面天線技術(shù)實現(xiàn)的雙頻段復合天線如圖1所示。主動模式和被動模式通過共用反射面，采用雙波段復合多模饋源，利用波導元器件的高通特性完成被動通道信號和主動通道信號的分離，實現(xiàn)不同頻段的復合探測；利用極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)解決副反射面的遮擋，同時將波束掃描速度相對機械掃描速度提高一倍。由于反射面的設(shè)計須要兼顧2個工作頻段，一般在其中一個波段上采用振子型輔助天線對消副瓣和尾瓣。

圖1共用反射面的雙頻段復合天線Fig.1Dual-bandantennawithacommunalreflector

2 寬帶復合天線

主/被動彈載雷達系統(tǒng)寬帶復合天線的被動模式采用寬帶天線，主動模式采用平板裂縫天線。

2.1被動模式寬帶天線

被動模式的寬帶天線陣元可采用有自補結(jié)構(gòu)或近似自補結(jié)構(gòu)的天線單元構(gòu)成，主要有螺旋天線、曲折臂天線、對數(shù)周期天線等[4-9]。

平面等角螺旋天線有2個臂，雙臂用金屬片制成，具有對稱性，每一臂都有2條邊緣線，均為等角螺旋線。當對2臂的始端饋電時，可以把2臂等角螺旋線看成是一對變形的傳輸線，臂上電流沿線邊傳輸，邊輻射邊衰減。實驗表明，臂上電流在流過約一個波長后就迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)很弱。因此，輻射場主要是由結(jié)構(gòu)中軸長約為一個波長以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。換句話說，螺旋天線存在“電流截斷效應(yīng)”，超過截斷點的螺旋線部分對輻射沒有重大貢獻，在幾何上截去它們不會對保留部分的典型能造成顯著影響，因而可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)近似的非頻變特性。

圖2 具有自補或近似自補結(jié)構(gòu)的寬帶天線Fig.2 Wideband antennaelementsw ith self-compensation structure

阿基米德螺旋天線的2個螺旋臂方程分別是阿基米德螺旋線，天線主要輻射是集中在周長約為λ的螺旋環(huán)帶上，稱之為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化，故阿基米德螺旋天線具有寬頻帶特性。雖然這一天線可以在很寬的頻帶上工作，但它不是一個真正的非頻變天線。因為電流在工作區(qū)后不明顯減小，因而不能滿足截斷要求，必須在末端加載，以避免波的反射。

曲折臂天線是在一個平面上用2個或4個旋轉(zhuǎn)對稱的曲折線導體臂制成。與平面螺旋天線最顯著的區(qū)別是曲折臂天線的輻射臂矢徑圍繞原點順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，并保持一定規(guī)律。換句話說，也就是每段螺旋線先運動一定角度，然后再向相反方向運動相同角度，各臂交錯隔開，容納在2個相同的曲折線的區(qū)域中，因而具有自補特性，可在寬頻帶范圍內(nèi)工作[4]。

平面對數(shù)周期天線的設(shè)計思想基于相似原理。當天線按某特定比例因子τ變換后，仍與其原來結(jié)構(gòu)相同，則天線在頻率τf和 f時性能相同。選擇合適的齒寬和槽寬，對數(shù)周期天線可以實現(xiàn)自補結(jié)構(gòu)，具有寬頻帶的特性。

螺旋天線、對數(shù)周期天線和曲折臂天線輻射的電磁波通常是圓極化，曲折臂天線可以實現(xiàn)全極化接收。對于上述結(jié)構(gòu)的寬帶天線，其輻射通常是雙向的，為實現(xiàn)單向輻射，通常采用背腔結(jié)構(gòu)和圓錐結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 背腔螺旋天線和圓錐螺旋天線Fig.3 Cavity-backed spiralantenna and conicalspiralantenna

對于被動模式的寬帶天線，頻帶的最高頻率和最低頻率所對應(yīng)的波長相差較大，而天線又是分區(qū)輻射的，要在整個頻段內(nèi)做到同相反射極為困難，因而理想的反射腔設(shè)計是很難的。如果反射腔設(shè)計得不好，會影響到天線在整個工作頻段內(nèi)的增益和阻抗特性，常用的反射腔有如圖4所列舉的3種[10]。對于2∶1頻帶寬度，反射腔可采用平底腔，腔深約為中心頻率對應(yīng)波長的1/4。腔體直徑與螺旋線外徑相同，如圖4 a）所示。帶寬大于2∶1的寬頻帶天線，宜采用如圖4 b）和4 c）所示的反射腔。

圖4 3種反射腔結(jié)構(gòu)Fig.4 Three structure of reflectcavity

實現(xiàn)寬頻帶天線時，自補結(jié)構(gòu)并不是必須的[11-15]，利用介質(zhì)材料制成的桿狀天線也可以達到較寬的工作頻帶[16-18]。利用同軸線饋電的介質(zhì)桿天線結(jié)構(gòu)如圖5所示。電磁波大部分能量被束縛在介質(zhì)桿表面，以表面波的形式在介質(zhì)桿表面向介質(zhì)桿軸線方向傳播，表面波的傳播速度近似等于電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。由于介質(zhì)的相對介電常數(shù)大于1，因而表面波的傳播速度小于電磁波在空間中的傳播速度，即表面波可視為等效慢波。與透鏡天線類似，在介質(zhì)桿不同位置處的表面波單元作為次級波源向空間中輻射電磁波。當長度滿足一定條件時，從介質(zhì)桿不同位置輻射出的電磁波到達與介質(zhì)桿終端時射徑電長度相同，并同相疊加，最大輻射方向在介紙桿的軸線上。

圖5 同軸線饋電介質(zhì)桿天線Fig.5 Coaxial feed dielectric rod antenna

介質(zhì)桿天線相對帶寬可超過33%，即達到2∶1的工作頻帶。介質(zhì)桿天線的應(yīng)用范圍很廣，可以從厘米波段一直應(yīng)用到亞毫米波波段。

2.2主動模式平板縫隙天線

隨著尋的制導雷達對抗干擾性能需求的提高，要求天線應(yīng)具有低副瓣或超低副瓣的性能。縫隙陣列天線對口徑面內(nèi)的幅度分布容易控制，口徑面利用率高，體積小，易于實現(xiàn)低副瓣或超低副瓣，因而在尋的制導系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，是實現(xiàn)低副瓣天線或超低副瓣天線的優(yōu)選形式。

在尋的制導或機載雷達等位于載體頭部用于目標跟蹤的系統(tǒng)中應(yīng)用時，天線通常采用諧振陣列形式。通常為減小天線體積和重量，常采用減少波導窄邊尺寸的辦法，制成半高或1/4高波導，諧振陣列所使用的饋電網(wǎng)絡(luò)和縫隙陣面結(jié)合在一起，因其縱向尺寸較小，外形像平板，稱為平板裂縫天線。一種典型的平板裂縫天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

天線陣面劃分為4個象限，每個象限包括4個子陣，每個子陣包含一定數(shù)量輻射波導，每根輻射波導寬邊按口徑激勵幅度分布的要求開寬邊縱向偏移縫隙。輻射縫交叉位于輻射波導中心線兩側(cè)，相鄰輻射縫間距為半個波導波長。天線的每1個子陣由1根耦合波導進行饋電，且每根耦合波導上耦合縫數(shù)量與對應(yīng)子陣輻射波導的數(shù)量相等。耦合波導與輻射波導正交共壁，并在共用壁開耦合縫，相鄰耦合縫間距為半個波導波長。

饋電網(wǎng)絡(luò)由功分網(wǎng)絡(luò)、和差器及接口調(diào)整波導組成。功分網(wǎng)絡(luò)由2個左右對稱的功分結(jié)構(gòu)組成，每個功分結(jié)構(gòu)由功分器級聯(lián)而成。考慮天線厚度的限制，和差器采用平面魔T結(jié)構(gòu)。接口調(diào)整波導將和差器的和通道與差通道調(diào)整到指定的接口位置。發(fā)射時，信號由天線和通道輸入，經(jīng)和差器后送入功分網(wǎng)絡(luò)和耦合陣列，在激勵輻射陣列向自由空間輻射。接收時，目標散射回波被天線的輻射陣列接收后送入耦合網(wǎng)絡(luò)及功分網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)和差器形成和差2路回波信號。

2.3寬帶復合天線結(jié)構(gòu)配置方案

用于毫米波主動/微波寬帶被動復合雷達系統(tǒng)的復合天線結(jié)構(gòu)配置方案有3種，分別見圖7。

圖7 a）所示的結(jié)構(gòu)配置方案1中，毫米波平板天線陣采用單平面單脈沖波導縫隙陣列，具有獨立的伺服系統(tǒng)。被動天線采用背腔阿基米德螺旋天線，其波束較寬，可直接與彈體捷聯(lián)，天線陣列結(jié)構(gòu)上采用8各陣元對稱配置的方案，采用雙基線相位干涉儀測向算法，滿足方位向和俯仰向的被動測角需求。方案1對于被動分系統(tǒng)具有測向算法簡單、陣列極化檢測可擴展等優(yōu)點，但受到基線個數(shù)的限制會導致系統(tǒng)相位容差較小，在較高的頻段可能會出現(xiàn)測向錯誤。為了兼顧頻帶低端和高端的系統(tǒng)測向性能，圖7 b）所示的方案2采用2種口徑的螺旋天線陣元，其中大口徑螺旋天線覆蓋整個工作頻段，而小口徑天線覆蓋高頻段。螺旋天線陣的配置采用非對稱配置方案，大口徑全頻段螺旋天線陣元為5個，小口徑高頻段螺旋天線陣元為3個，2種口徑天線在方位向和俯仰向各用1個陣元，采用多基線相位干涉儀測向算法完成方位向和俯仰向的被動測角。與方案1相比，方案2解決了測向系統(tǒng)相位容差較小的問題，滿足系統(tǒng)高頻段方位向和俯仰向單脈沖測向需求，具有測向算法簡單、系統(tǒng)相位容差性好的優(yōu)點。事實上，在被動測向系統(tǒng)中，若能利用所用的天線陣元相位信息進行方位向和俯仰向的被動測角，將會更好地提高系統(tǒng)的相位容差，且在統(tǒng)計意義上會提高系統(tǒng)測向精度。圖7 c）所示的方案3中，天線陣列采用7個陣元均勻圓環(huán)布局的方案，在測向方法上可采用求解聯(lián)立方程組的立體基線干涉儀算法或空間譜估計算法，完成方位向和俯仰向的被動測角。相對于與前2種方案，方案3在算法上較為復雜，對于系統(tǒng)處理平臺的要求較高。

圖7 寬帶復合天線結(jié)構(gòu)配置方案Fig.7 Configuration ofw ideband compound antenna

3 結(jié)束語

本文研究了實現(xiàn)彈載主被動復合雷達天線的幾種途徑，包括雙頻段反射面天線和寬帶復合天線，提出了一種雙頻反射面天線的配置方案；討論了被動模式寬帶天線的選型和主動模式天線的設(shè)計方案，并提出了寬帶復合天線的配置方案。在導彈突防過程中，在采用主被動復合雷達獲取更多維度的目標信息，提高目標識別和抗干擾能力的同時，也要考慮導彈的隱身性能。對導彈而言，天線RCS對其整體RCS有重要貢獻[19-20]。因此，如何在實現(xiàn)主被動復合探測的同時，提高天線的隱身性能，需進行進一步的研究。另外，被動模式寬帶天線帶罩工作式，對天線罩透波率要求較高，如何在寬帶范圍內(nèi)實現(xiàn)提高透過率，減小天線頭罩引起的瞄準誤差，也是迫切需要解決的問題。

[1]王起飛.主被動復合導引頭天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與布局[J].制導與引信，2003，24（3）：38-41.

WANGQIFEI.Structural layoutof active-passive composite seeker antenna system[J].Guidance&Fuze，2003，24 （3）：38-41.（in Chinese）

[2]馬洪，李娜，漆蘭芬.主被動復合導引頭天線共口徑配置研究[J].電波科學學報，2004，19（3）：338-342.

MAHONG，LINA，QILANFEN.Common caliberantenna configuration schemes for passive and active compounded guiding system[J].Chinese Journalof Radio Science，2004，19（3）：338-342.（in Chinese）

[3]THOMASAM ILLIGAN.現(xiàn)代天線設(shè)計[M].2版.郭玉春，方加云，張光生，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012：210-245. THOMASA M ILLIGAN.Modern antenna design[M].2ndEd.GUO YUCHUN，F(xiàn)ANG JIAYUN，ZHANG GUANGSHENG，et al.Translated.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012：210-245.（in Chinese）

[4]司偉建，陳濤，林晴晴.超寬頻帶被動雷達尋的器測向技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：29-34.

SIWEIJIAN，CHEN TAO，LIN QINGQING.Directionfinding techonology of ultra-w ide band passive radar seeker[M].Beijing：National Defense Press，2014：29-34. （in Chinese）

[5]王亞偉，王光明，張晨新，等.一種新型曲折臂阿基米德螺旋天線[J].現(xiàn)代雷達，2010，32（9）：67-69.

WANG YAWEI，WANG GUANGM ING，ZHANG CHENXIN，etal.A novelmeanderarchimedean spiralantenna[J].Modern Radar，2010，32（9）：67-69.（in Chinese）

[6]任強，林曙光，陳淅澄.一種平面等角螺旋天線的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國電子科學研究院學報，2015，10（3）：269-273.

REN QIANG，LIN SHUGUANG，CHEN XICHENG.Design and application of a planarequiangular spiralantenna [J].Journal of CAEIT，2015，10（3）：269-273.（in Chinese）

[7]宋朝暉，李紅梅，楊漢英，等.曲折臂形式的阿基米德螺旋天線小型化研究[J].微波學報，2009，25（4）：53-57.

SONG ZHAOHUI，LIHONGMEI，YANG HANYING，et al.Study on aminiaturized meander archimedean spiral antenna[J].Journal of M icrowaves，2009，25（4）：53-57. （in Chinese）

[8]項陽，楊華，駱建華，等.基于共形饋電網(wǎng)絡(luò)的新型雙頻四臂螺旋天線[J].微波學報，2015，31（2）：31-35.

XIANG YANG，YANG HUA，LUO JIANHUA，et al.A novel dual-frequency printed quadrifilar helical antenna based on conformal feed-network[J].Journal of M icro-Waves，2015，31（2）：31-35.（in Chinese）

[9]YANG ZHENGGUANG，SU DONGLIN，LV SHANWEI.A size-reduced log periodic dipole antenna[J].Journalof Electronics（China），2006，23（6）：913-914.

[10]宋朝暉.超寬帶螺旋天線小型化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006：13-25.

SONG ZHAOHUI.The research ofm iniaturization of ultra-w ide band spiral antenna[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2006：13-25.（in Chinese）

[11]邵金進，紀奕才，方廣有，等.一種用于生命探測雷達的超寬帶天線[J].電子與信息學報，2014，36（2）：471-475.

SHAO JINJIN，JIYICAI，F(xiàn)ANG GUANGYOU，etal.An ultra-w ideband antenna for life detection radar[J].Journal of Electronics&Information Technology，2014，36（2）：471-475.（in Chinese）

[12]李迎松，蘇暢，牛朝，等.一種基于分形結(jié)構(gòu)的超寬帶天線研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，6（2）：85-87，99.

LIYINGSONG，SU CHANG，NIU ZHAO，et al.A study of a ultra-w ide band antenna base on fractal structure[J]. System Simulation Technology，2010，6（2）：85-87，99. （in Chinese）

[13]曹新宇，張金玲，楊虹蓁.新型小尺寸雙陷波超寬帶天線設(shè)計[J].電波科學學報，2014，29（3）：548-551，566.

CAO XINYU，ZHANG JINLING，YANG HONGZHEN. New small size ultra-w ideband antenna having two frequency bands notch function[J].Chinese Journal of Radio Science，2014，29（3）：548-551，566.（in Chinese）

[14]尹應(yīng)全，廖昆明，王瑞峰，等.新型超寬帶共面波導結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計[J].海軍航空工程學院學報，2013，28（1）：33-36.

YIN YINGQUAN，LIAO KUNM ING，WANG RUIFENG，et al.Design of novel ultra-w ideband coplanar waveguide structure antenna[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical，2013，28（1）：33-36.（in Chinese）

[15]KRISHNA KUMAR，JAGMEET SINGH SANDHU，BHARAT BISHT，etal.Dual-band dielectric rod antenna for satellite communication system[C]//Proceeding of 2011 International Conference on Communication Systems and Network Technologies.Katra Jammu，India，2011：242-245.

[16]王友成，邵金進，紀奕才，等.末端開槽超寬帶天線的研究[J].電波科學學報，2015，30（3）：510-516.

WANGYOUCHEN，SHAO JINJIN，JIYICAI，etal.Analysis on multi-slot tuned ultra-w ideband antenna[J].Chinese Journalof Radio Science，2015，30（3）：510-516.（in Chinese）

[17]CHEN CHICHIH.UWB dielectric rod antenna designs [C]//7thEuropean Conference on Antennas and Propagation.Gotburg，Sweden，2013：758-759.

[18]葉紅霞，蔣延生，汪文秉，等.介質(zhì)桿天線的時域特性分析[J].電波科學學報，2003，18（4）：413-417.

YE HONGXIA，JIANG YANSHENG，WANG WENBING，etal.Analysisof ultra-w ideband rod dielectric antenna in time-domain[J].Chinese Journal of Radio Science，2003，18（4）：413-417.（in Chinese）

[19]朱華邦，杜鵑，焦淑瑜.十字型陣子FSS在機（彈）在雷達天線隱身中的應(yīng)用研究[J].海軍工程大學學報，2007，19（2）：50-54.

ZHU HUABANG，DU JUAN，JIAO SHUYU.Study of crisscross element FSS application to radar antenna concealment[J].Journal of Naval University of Engineering，2007，19（2）：50-54.（in Chinese）

[20]胡明春，周志鵬，高鐵.雷達微波新技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013：19-22，180-190.

HU M INGCHUN，ZHOU ZHIPENG，GAO TIE.New technology of microwave in radar[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2013：19-22，180-190. （in Chinese）

Configuration of Compound Antenna ofMissile Borne Radar

LIUYong

（Military RepresentativesOffice of Astronautical Electromechanical System ofNavy in Nanjing,Nanjing 210006,China）

Aiming at the developmentand requirementofmissile-borne radar,technology approaches to design active and passive compound antenna ofmissile-borne radarwere studied.Configuration of dualband antennawith reflectorwas pro?vided.Forwide band compound antenna,selection ofwide band antenna element for passivemode and design scheme of waveguide slotarray antennawere discussed,and the configuration ofwideband compound antennawasgiven.

missile-borne radar;compound antenna;wide band antenna

TN957.2

A

1673-1522（2016）02-0138-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.02.008

2015-12-25；

2016-01-19

劉永（1973-），男，工程師，碩士。