基于相控陣雷達天線俯仰多波位相掃的設計與應用

吳志毅李廣偉2(.四川信息職業技術學院廣元6208402.陸軍重慶軍代局駐廣元地區軍代室廣元20840)

基于相控陣雷達天線俯仰多波位相掃的設計與應用

吳志毅1，李廣偉2
(1.四川信息職業技術學院，廣元620840；2.陸軍重慶軍代局駐廣元地區軍代室，廣元20840)

分析研究了如何設計平面相控陣雷達天線多波位相掃的基本原理，提出了36行平面相控陣雷達天線在俯仰上實現多波位發射波束、接收波束形成與展寬方法。通過微波暗室的測試，天線技術指標完全達到了平面相控陣雷達天線多波位相掃的技術要求，實現了一維相控陣面高增益、高靈敏度、低噪聲、大動態范圍技術指標。

相控陣天線；多波位相掃；高增益；移相器；波束展寬

0 引言

對于低空或超低空目標的偵察，需要有較高克服地物或其他抗干擾的措施，才能獲得所需信息。通過對多種類型雷達比較，選擇相控陣雷達是一種比較好的選擇。原因在于相控陣天線波束指向靈活，同時可以形成多個獨立波束，可在空域內同時監視、跟蹤數百個目標，獲取數據率高，具有對復雜目標環境的適應能力強、抗干擾性能好等優點［1］。

1 相控陣雷達天線設計原理分析

相控陣雷達天線可以采用一維或兩維有源平面相控陣天線，通過反射面的半波振子天線組成。為了獲得較高的天線增益，將許多天線單元按一定規則排列在一起，組成一個大的陣列天線。同時，通過計算機波控改變陣列天線中各天線單元激勵電流的幅度或相位來實現天線方向圖的波束形狀和波束指向。例如，以陣面法線為中心，如果左邊半波振子天線發射信號相位早一點，右邊晚一點，那么信號疊加后，最大能量方向就會向右偏，即精確控制它們的相位差，就能控制這個最大能量的指向。因此，對于平面陣相控陣天線，如果要在方位角φ和仰角θ這兩個方向上同時實現天線波束的相掃，采用平面相控陣天線是適宜的。

設天線陣列位于yoz上，共有M×N線單元，沿y方向的N個陣元以間距dy勻排列，沿z方向的M個陣元以間距dz勻排列，從而形成矩形柵格陣的平面陣。在忽略天線單元方向圖的影響條件下，平面相控陣天線的方向圖函數F(cosαy，cosαz)如式(1)所示［2］。

式中，αik表示第(i，k)個天線單元的幅度加權系數。在天線陣列yoz平面上，cosαy、cosαz與在方位角φ和仰角θ這兩個方向上的函數關系為：

因此，可以得到在方位角φ和仰角θ這兩個方向上的函數方向圖函數。

由式(3)可知，為了在(θ，φ)方向上獲得波束最大值，分別改變相鄰天線單元之間的相位差α、β值，即可突破天線波束的相控掃描。而α、β值的改變仍然是通過每個天線單元后端設置的移相器實現，即只要在每個單元上串入(0～2π)的可調移相器，并可控制移相器的移相量就可以控制最大輻射方向，從而形成波束掃描。

2 相控陣雷達天線俯仰多波位相掃的設計

以36個天線行、T／R組件以及饋電網絡、波控器等組成的平面相控陣雷達天線陣面為例進行分析設計。設計原理框圖如圖1所示，平面相控陣雷達天線完成功能：

1)空間合成形成發射波束；

2)空間合成形成和、方位差和高低差3個接收波束；

3)采用一維相掃形成5個俯仰波位，完成0°～45°的俯仰掃描。

2.1 相控陣雷達天線陣面設計

相控陣雷達天線陣面的設計包括以下幾個部分：

1)陣列振子：每行設計成24個半波振子，則整個陣面共864個半波振子；

2)功分網絡：由不等分功分器構成功分網絡，每個不等分功分器驅動12個半波振子，則每行需要2個不等分功分器；

3)T／R組件：完成收發轉換與信號放大，每行需要2個T／R組件；

4)微帶電橋：構成和差器，設計成微帶結構；

5)環形器：信號按照需要方向流動。

2.2 發射波束形成的設計

由發射機頻綜輸出線性調頻激勵信號，經過3級固態放大器放大后輸出3路激勵功率信號，每一路激勵信號經過一個12等功率分配器——環流器——和差器均分成兩路，分別激勵兩個T組件，T組件的輸出由兩個不等分功分器按Taylor加權分配給天線輻射單元，經空間合成發射波束。

2.3 接收波束形成的設計

常采用Butler矩陣多波束網絡或基于FFT的數字波束形成DBF技術來實現接收多波束。

(1)接收和路波束和高低差波束的設計

發射波束照射到目標后，反射回波被陣面振子天線接收，對于整個平面陣而言，將36行接收信號經兩個不等功分器相加后經一個和差器，形成和波束和高低差波束。

(2)方位差波束的設計

每一行可形成一個方位差波束，將36行的方位差經功分器相加后，形成了方位差波束。

2.4 波束展寬設計

相控陣雷達對搜索空域進行立體掃描時，需要考慮因素：保證雷達檢測性能，需要減小相鄰波位之間的波束躍度，以降低波束覆蓋造成的損失，提高雷達的搜索數據率，又要求天線波束躍度不能太小(波位數目不宜過多)，否則會造成雷達的冗余檢測［3］。因此，相控陣天線的最佳波位設計，須根據雷達的戰術要求確定最佳波位數。

根據仰角線陣對指定搜索角度范圍的最佳波位序列，定義天線波束的η功率點寬度為：

式中，d為陣元間距，N為陣元數目，λ為工作波長，k為波控數碼的計算位數，θB天線波束指向，η為功率電平值。

式(4)表明，天線波束寬度隨掃描角的增大而展寬，這就是天線波束的掃描展寬效應。

(1)發射波束的展寬設計

為了不損失發射能量，發射波束展寬采用了變有效天線口徑和相位加權相結合的方法，即在1波位、2波位全口徑工作(36行工作)，3波位24行工作，4波位36行工作，采用相位加權使波束寬度展寬，5波位36行工作，相位加權使波束寬度展寬。

(2)接收波束展寬設計

控制T／R開關，按需要開、關T／R組件，改變陣面工作行，即改變天線有效口徑，便可以改變半功率點的波束寬度。在遠距離采用窄波束，近距離采用寬波束，即遠區采用大口徑，近區采用小口徑以解決最大作用距離與最大仰角覆蓋的矛盾。這是相控陣雷達獨有特點，能充分利用雷達的時間資源和能量資源。相控陣陣面在接收狀態下，1波位、2波位全口徑工作(36行工作)，有效口徑2m×2m，3波位采用24行工作，4波位采用12行工作，5波位采用6行工作。

3 電性能參數測試

在微波暗室對天線5個波位進行測試，接收增益大于或等于 33dB，發射增益大于或等于32dB，水平波瓣副瓣電平小于或等于－30dB，垂直波瓣副瓣電平小于或等于－25dB(1／2波位)；方位零值深度小于或等于－25dB，俯仰零值深度小于或等于－25dB(1波位、2波位)。3D合成圖如圖2所示，相位全息圖如圖3、圖4所示，方向圖如圖5、圖6所示，均達到了設計要求(由于篇幅原因，圖中只列出了低波位1的測試結果圖)。

4 結論

從微波暗室指標測試結果看，實現了平面相控陣雷達天線在仰角多波位掃描。目前已正式投入生產，裝備于某型超低空補盲雷達車。該天線工程應用水平較高，很有推廣價值。

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Design and Application of Pitching Multi Wave Phase Sweep Based on Phased Array Radar Antenna

WU Zhi?yi1，LI Guang?wei2
(1.Sichuan Institute of Information Technology，Guangyuan 620840; 2.The Military Representative Office of Army Corps of Chongqing in Guangyuan area，Guangyuan 620840)

Analysis and research on how to design planar phased array antenna the basic principle of multi wave phase sweep，presented 36 line plane phased array antenna is implemented more wave emission beam on the pitch，the method of receiving beam forming and broadening.Through the test of microwave dark room，antenna technical indicators fully meet the multiple wave phase of the technical requirements，the one?dimensional phased array face high gain，high sensitivity，low noise coefficient，large dynamic range technology index.

planar phased array;multi wave phase sweep;high gain;phase shifter;beam broadening

TN953＋.7

A

1674?5558(2017)03?01314

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.018

吳志毅，男，教授，研究方向為射頻／微波技術、應用電子技術。

2016?08?19