一種超寬頻帶二維相掃多波束天線設計

崔傅平

（西安導航技術研究所，陜西西安 710068）

0.引言

20世紀以來，有源相控陣天線技術的快速發展和大量應用，使得雷達的可靠性、隱身性、抗干擾能力和多目標跟蹤能力等方面均有大幅提升，但其昂貴的成本也為系統設計、應用帶來了很多問題[1]。據統計，天線陣成本在整部雷達成本中占比通常超過一半以上。如何降低天線成本已成為系統設計的核心；降低成本一般有2條路徑，一是靠芯片設計和微組裝工藝的發展，結合陣列設計的批量化生產使得成本大幅降低[2]；二是采用稀疏布陣的設計思路減少有源通道數量，雖然會損失一些電性能指標，但可滿足某些工程項目的使用要求。

1.天線陣列設計

通過對單元天線形式的設計、饋電結構的優化，得到滿足阻抗帶寬與方向圖波束覆蓋的蝶形天線作為陣列的輻射單元，如圖1所示。

圖1 蝶形天線

天線單元為了與T/R組件進行一體式的連接，使用四個單元一排進行一體化設計。其中單元間距為10.5mm。由于陣列中H面（方位面）的單元間距dx=40mm，遠大于半波長，從自由空間沿陣列發線方向輻射至陣列地平面上的電磁波僅有部分能量再反射至振子上，而大部分可能再反射至自由空間。采用V字型反射地面在大單元間距時可以有效提高單元的口徑利用系數。輻射振子位于V字型的中央，振子與V字型的反射面構成了一個H面喇叭型輻射單元如圖2所示。

圖2 天線陣列反射示意圖

天線饋電網絡的設計，采用帶線型傳輸線的方式，與微帶型相比，帶線型饋電網絡具有頻帶比較寬、傳輸輻射較少、互耦較小的優點，目前所設計的天線在每個象限中各有16個基本單元，基本單元的間距分別為40mm（方位）和42mm（俯仰），饋電網絡用2的4次方的方式，阻抗變換段依據空間尺寸采用2級變換，饋電網絡線路及構成如圖3所示。

圖3 饋電網絡線路及構成圖

由于T/R組件采用4通道一體化設計，且在基本單元的后級（靠近饋電網絡端口）中設計了1:4的等功率功分器，這樣饋電網絡就減少了兩級功分，可簡化后級平面型饋電網絡的設計并減少饋電網絡輸出端口的密度。饋電網絡為等幅同相的饋電方式，采用底饋的方式與T/R組件進行盲插式饋電，每一個饋電點對應一個T/R組件，俯仰面單個單元間距為10.5mm，在4通道一體化設計后，每個T/R組件在俯仰面的間距為10.5×4=42mm，在方位面的間距為40mm。

天線結構上以冷板作為主框架，T/R組件嵌入冷板的U型槽內，通過V型反射板固定在冷板的一面，輻射陣子與T/R組件的4個饋電點焊接在一起；冷板的另一面先固定1分16的饋電網絡，饋電網絡上有16個SMP盲插頭與T/R組件的SMP盲插座相連，在饋電網絡外面固定波控板，饋電網絡上相應位置留矩形開口，以便波控單元與T/R組件的控制接口相連。

2.基于超寬頻帶的柵瓣影響處理

2.1 對角度模糊的處理

當目標出現在固定角度時，可能會在主瓣或柵瓣檢測到目標，這時需要對檢測到的目標進行確認。利用雷達的超寬頻帶，在不同頻率時，柵瓣的位置隨頻率變化的移動來解角度模糊。只要不同頻率產生的柵瓣位置之間的角度差比其中一種頻率工作下的主瓣寬度寬就能計算出真實的角度，即滿足下式即可：

其中f2>f0。

假設頻率f0時檢測到目標，由于主瓣和柵瓣都有可能檢測到，所以要進行確認。計算出頻率f0波束指向角度的估值，以頻率f2在目標角度的估值處產生波束，目標角度的估值處如果存在目標，則可以檢測到目標，目標的真實角度就是估值。如果檢測不到目標，則認為目標在頻率f0時的波束柵瓣處，通過計算得出柵瓣的角度，就是目標的真實角度。這種方法在搜索時最好采用頻率間隔較大的頻率組合。在發現目標后進行確認是會帶來反應時間上的損失。

2.2 減小柵瓣影響

減小柵瓣影響的方法統一利用超寬頻帶對不同頻率的回波數據進行相干或非相干處理，提高主瓣與柵瓣信號比，減小影響。經過3個點頻的相干處理，可以減小柵瓣影響約6dB。

3.天線陣面測試

測試的天線陣面如圖4所示，天線陣面在高波段波束掃描范圍方位覆蓋±18°，波束寬度＜3°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜10°；天線陣面在低波段波束掃描范圍方位覆蓋±30°，波束寬度＜4°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜15°。當天線方位單元以2個波長稀布時，會在30°左右的角度上產生柵瓣。但是對于不同的發射頻率，主瓣位置相同，而柵瓣的位置相差大于一個主瓣波束寬度。利用超寬頻帶的頻域處理，可以減小柵瓣影響。

圖4 天線陣面實物圖

4.總語

本文通過陣面的稀布方案，實現了通道數量縮減25%的要求，成本的下降與之相當，其主要電性能參數滿足某項目要求。通過實際測試，天線陣面在高波段波束掃描范圍方位覆蓋±18°，波束寬度＜3°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜10°；天線陣面在低波段波束掃描范圍方位覆蓋±30°，波束寬度＜4°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜15°。利用超寬頻帶，可以減小稀疏布陣帶來的柵瓣影響。