高頻雷達天線陣的相位噪聲分析

賀承杰，邵學德，趙志華

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州450007)

高頻雷達天線陣的相位噪聲分析

賀承杰，邵學德，趙志華

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州450007)

高頻雷達天線陣受風的作用會產生隨機晃動，導致發射和接收信號的相位噪聲一定程度的惡化，從而降低高頻雷達系統的目標檢測性能。針對高頻雷達發射天線陣相位噪聲惡化的情況，從天線單元和反射網2個主要方面對惡化原因展開了分析，得出了相位噪聲惡化原因為天線單元阻抗變化和反射網晃動所引起的信號相位調制結論。根據結果分析，提出了相應的改進方案，并對改進后的天線陣相位噪聲進行了測試，測試結果表明相位噪聲比改進前降低了10 dB。

高頻雷達；相位噪聲；天線陣；天線單元；反射網

Abstract HF radar antenna array will swing when it is exposed to wind.The swing can deteriorate the phase noise of transmitting and receiving signals of HF radar and reduce the target detection ability of HF radar.For this case,this paper analyzes the cause of phase noise deterioration about antenna element and reflector net,and concludes that the cause is the signal phase modulation due to antenna element impedance changing and reflector net swing.Based on the calculation results,the corresponding improved design scheme is presented.The system performance with improved antenna array is tested,and the result shows that the phase noise is reduced by 10 dB.

Key words HF radar;phase noise;antenna array;antenna element;reflector net

0 引言

高頻雷達根據探測信號的不同傳播方式分為天波雷達和地波雷達，主要用于對地平線以下的空中和海面目標進行探測、跟蹤和監視。為保證目標的可靠檢測，高頻雷達的雜波中可見度SCV一般要求為70～80 dB，為達到該指標，高頻雷達發射機的相位噪聲應不大于-90 dBc/Hz@1 Hz[1]，發射天線陣的相位噪聲應不大于-85 dBc/Hz@1 Hz。在對某高頻雷達發射天線陣相位噪聲測試中發現，不同氣象條件下測得的相位噪聲差別較大。無風時，測得的相位噪聲為-86 dBc/Hz@1 Hz，但在3～4級風情況下，測得的相位噪聲為-79 dBc/Hz@1 Hz，比無風時增加了7 dB，對高頻雷達的目標檢測性能帶來很大影響[2]。

從國內現有資料看，目前尚無分析和解決天線陣相位噪聲方面的文獻。為解決上述問題，本文首先從結構和組成上對天線陣進行了描述，然后以相位噪聲理論和天線理論為基礎，從時域角度分析和推導了天線單元和反射網振動與天線陣相位噪聲變化的定量關系，并進行了模擬試驗，根據試驗結果，對發射天線陣的天線單元和反射網進行了針對性的改造。

1 天線陣組成

高頻雷達發射天線陣主要由天線單元和地網組成，天線陣背面豎立有金屬反射網，以提高天線陣的方向性，如圖1所示。

天線陣的地網和反射網采用直徑1.5 mm不銹鋼絲編織的金屬網，天線單元采用錐形豎籠單極天線形式(如圖2所示)，其主要組成包括：錐狀籠形振子、絕緣支撐、天線座和阻抗匹配器。錐狀籠形振子主要由鋁、鋼等金屬材料制造的支撐桿、籠圈和籠線組成，架設在絕緣支撐上，籠線采用直徑2 mm的不銹鋼絲繩。

圖1 HF雷達天線陣示意

圖2 天線單元示意

從發射天線陣的組成和材料分析，由于天線單元和反射網主要由柔性材料組成，在風等外力作用下會產生隨機擺動和振動，發生機械形變，從而改變天線陣的參數，影響天線天線陣的性能。

2 相位噪聲分析

2.1 相位噪聲的表示

在頻率源內部或者信號傳輸的過程中,噪聲總會對信號產生調制。一個理想的信號可以描述為：

v(t)=V0cos(ω0t+φ0)。

(1)

式中，V0為信號幅度；ω0為信號角頻率；φ0為信號固定相位，均為常數。

從時域看，理想信號為一確定的周期信號，在頻域里則表現為一根純譜線[3-4]，如圖3所示。實際中，理想信號總會受到各種噪聲的影響，表現為其信號幅度和相位受到調制，引起幅度和相位起伏。實際信號可表示為：

v(t)=(V0+ε(t))cos(ω0t+Δφ(t)) 。

(2)

式中，ε(t)為幅度起伏；Δφ(t)為相位起伏。

圖3 理想信號頻譜

圖4 實際信號頻譜

實際信號由于受到相位起伏的調制，其頻譜不再為一根純凈的譜線，而是具有一定寬度的頻譜如圖4所示，即相位噪聲。相位噪聲通常以“單邊帶相位噪聲”來表征，其定義為：偏離載波頻率fm處，在1 Hz帶寬內一個相位調制邊帶的功率PSSB與載波功率PS之比[3]，即

(3)

式中，Δφrms為相位起伏Δφ(t)的均方根。

2.2 天線單元相位噪聲分析

天線單元是天線陣的主要組成部分，通過饋線與功放相連接，從功放輸出端看，天線單元相當于功放的負載。發射機產生的信號經功放放大后，通過饋線輸出到天線單元上，并在天線單元回路中產生高頻電流，在空間感應出交變的電磁場，實現發射信號的空間輻射。天線單元上高頻電流的大小與其輸入阻抗密切相關，當輸入阻抗發生變化，必然引起天線單元上高頻電流的改變，從而影響發射信號的質量。

天線單元的輸入阻抗[5-7]可表示為：

(4)

式中，Uin為天線輸入端發射信號高頻電壓；Iin為天線單元輸入端的高頻電流；Rin為天線單元的輸入電阻，Xin為天線單元的輸入電抗。

天線單元輸入阻抗的阻抗角[8-9]為:

(5)

當天線單元的輸入電阻或輸入電抗發生變化時，將改變輸入阻抗的大小，同時阻抗角也隨之改變。

天線單元錐狀籠形振子的籠線采用不銹鋼絲繩，通過螺釘固定在絕緣支撐上方的金屬盤上，因為長時間暴露于空氣中，金屬盤和不銹鋼絲繩接觸的地方會發生氧化，使接觸電阻變大。刮風時，不銹鋼絲繩隨風振動，其與金屬盤之間的接觸電阻也會發生隨機變化，從而改變了整個天線單元的輸入阻抗和阻抗角。

由于接觸電阻發生變化引起的天線單元輸入阻抗的改變可表示為：

Zin(t)=(Rin+ΔR(t))+jXin。

(6)

則輸入阻抗的阻抗角為：

(7)

當輸入電抗遠小于輸入電阻時，

(8)

將式(8)按冪級數展開，

(9)

θ(t)≈θ0(1-φ(t)+φ(t)2-φ(t)3+…)。

(10)

從式(10)中可以看出，當天線輸入阻抗發生改變時，會引起阻抗角的改變，阻抗角的變化又會引起天線單元上高頻電流的相位變化[10-11]，使輻射出去的發射信號的相位也發生改變，此時天線陣發射信號為：

v(t)=Vcos(ω0t+θ(t))=

Vcos(ω0t+θ0(t)-θ0(t)φ(t)+θ0(t)φ(t)2-…)=

Vcos(ω0t+θ0(t)+ψ(t))。

(11)

式中，ψ(t)=-θ0(t)φ(t)+θ0(t)φ(t)2-…。ψ(t)為天線阻抗變化引起的發射信號相位變化，根據式(3)其引入的相位噪聲為：

(12)

式中，Δψrms為ψ(t)的均方根。

2.3 反射網相位噪聲分析

由于天線單元采用的是單極天線形式，其水平方向圖是全向的[12]，組成天線陣后，在直線陣前后兩側會形成雙向波束。為了實現天線陣的定向性，在天線單元后面安裝垂直金屬反射網，可減小天線陣向后方的能量輻射，形成單方向輻射。反射網由不銹鋼絲編制而成，受風的作用，很容易發生變形和擺動，從而造成反射網與天線單元之間的間距發生變化，如圖5所示。

圖5中，d表示正常情況下天線單元距反射網的間距，S(t)表示反射網在擺動情況下距天線單元的間距。

圖5 天線陣反射網擺動示意

(13)

式中，Δs(t)為反射網擺動幅度。

假設天線單元輻射信號為：

v(t)=Acos(ω0t) 。

(14)

則經反射網反射后的信號為：

(15)

v(t)=Acos(ω0t+φ0+Δφ(t))。

(16)

根據式(3)，由Δφ(t)引起的相位噪聲為：

(17)

式中，Δφrms為Δφ(t)的均方根。

3 改進措施及測試結果

高頻雷達發射天線陣布置于野外，會經常遭受風雨的侵擾，尤其刮風時，天線單元和反射網會隨風振動和晃動，造成物理變形和位移，影響天線陣的性能。原發射天線陣在設計時，天線單元是按短波通信天線的要求進行設計的，選用常用的柔性不銹鋼絲繩作為籠形振子的材料，并未考慮到外界因素對天線陣相位噪聲的影響。因此，在天線陣完成安裝后進行測試時，發現無風和有風情況下，所測得的發射信號的相位噪聲不一致，有風時發射信號的相位噪聲要高于無風時的相位噪聲。

從2.2和2.3節的分析中可以看出，天線單元和反射網隨風振動和晃動是發射信號相位噪聲增加的主要原因，隨著風力的加大，所引入的相位噪聲也會加大。為了確認分析結果，在進行發射天線陣相位噪聲測試時，通過人工不斷晃動反射網來模擬風的影響，人工晃動反射網的頻率為1Hz左右，測試結果顯示晃動時相位噪聲比不晃動時有明顯的增加，且在近載頻1Hz附近的相位噪聲增加最多。

根據分析和模擬測試結果，制定了發射天線陣的改造方案，有針對性地對天線單元和反射網進行了改造。

對天線單元的改造，主要考慮籠形振子籠線的剛性和導電性能，消除籠線隨風振動引起的天線單元輸入阻抗的變化，而原來的籠線所采用的不銹鋼絲繩不能滿足要求，必須更換。通過比較，選取了一種3mm的銅包鋼絲作為籠線，其剛性和導電性能均優于不銹鋼絲繩，在3～4級風條件下進行測試，未發現其隨風振動和晃動。改造時，除了用銅包鋼絲替換所有不銹鋼絲繩籠線外，在籠線與金屬盤連接處不但使用螺釘緊固連接，而且對連接處進行了焊接處理，增大了籠線與金屬盤的接觸面積，大大減小了籠線振動引起的接觸電阻變化。

對于反射網的改造，主要考慮消除反射網隨風晃動對發射信號的影響[13]。原天線陣的反射網采用的是柔性不銹鋼絲網，刮風時，反射網會隨風晃動。改造時，拆除了原來的反射網，取而代之的是由0.8mm鍍鋅鋼管焊接成的間隔40cm寬金屬柵欄，既減小了反射網的風阻，又增加了反射網的剛性，在3～4級風條件下進行測試，未發現其產生明顯晃動。

對改進后的天線陣進行了相位噪聲測試[14-15]，測試使用穩定度測試儀(TSC5120A)，分別在無風和3～4級風的條件下，測量天線陣發射信號的相位噪聲。無風條件下的測試結果為-91.8dBc/Hz@1Hz，3～4級風條件下的測試結果為-89dBc/Hz@1Hz。相比發射天線陣改造前的測試結果，改造后發射天線陣的相位噪聲有了明顯改善，尤其在有風條件下，相位噪聲改善了10dB。測試結果表明對天線陣相位噪聲惡化問題的定位和分析是準確的，也說明了改進措施的針對性和有效性[16]。

4 結束語

影響天線陣相位噪聲的因素很多，除了本文提到的天線單元和反射網的擺動外，還有地網的振動與起伏、天線單元間耦合所引起的阻抗變化等，都會對天線陣的相位噪聲造成一定影響，其根本原因都是由于天線陣在外力作用發生形變，使發射信號受到一定程度的相位調制，從而使發射信號近載頻的相位噪聲惡化。本文所提出的分析方法和改進措施為解決天線陣相位噪聲惡化問題提供了一種思路，也為短波天線陣的設計和研制提供了參考。

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Phase Noise Analysis of HF Radar Antenna Array

HE Cheng-jie，SHAO Xue-de，ZHAO Zhi-hua

(The27thResearchInstituteofCETC,ZhengzhouHe’nan450007,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.14

賀承杰，邵學德，趙志華.高頻雷達天線陣的相位噪聲分析[J].無線電工程,2017,47(8):58-61.[HE Chengjie，SHAO Xuede，ZHAO Zhihua.Phase Noise Analysis of HF Radar Antenna Array[J].Radio Engineering,2017,47(8):58-61.]

2017-01-09

國家自然科學基金資助項目(61271379)。

TN827

A

1003-3106(2017)08-0058-04

賀承杰 男，(1972—)，高級工程師。主要研究方向：雷達探測。

邵學德 男，(1967—)，研究員。主要研究方向：電子對抗及雷達探測。