單脈沖雷達(dá)天線和差波束低副瓣設(shè)計(jì)

薛玲瓏，徐 欽，趙起超，張繼浩，劉 宇

(1.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109；2.空軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201109；3.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，相控陣天線技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。雷達(dá)性能的好壞，很大程度上取決于相控陣天線的性能，對(duì)于單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)的超低空、抗干擾能力主要由天線的低副瓣性能決定[1]，接收時(shí)，相控陣天線工作在接收狀態(tài)，要求同時(shí)形成具有低副瓣特性的接收和波束、接收方位差波束和俯仰差波束。和差波束的形成網(wǎng)絡(luò)可以采用空間饋電或者強(qiáng)迫饋電的方式實(shí)現(xiàn)，空間饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但不利于集成設(shè)計(jì)，為滿足雷達(dá)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)要求，一般采用強(qiáng)迫饋電的方式。對(duì)于大型相控陣?yán)走_(dá)天線，為了降低饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，和、方位差、俯仰差3個(gè)波束同時(shí)的低副瓣性能無(wú)法得到滿足，一般優(yōu)先保證和波束的低副瓣性能。

和波束低副瓣性能需要陣面幅度分布滿足Taylor分布，差波束低副瓣性能需要陣面幅度分布滿足Bayliss分布，用傳統(tǒng)的和差單脈沖波束形成方法[2-6]，二者無(wú)法兼顧。因?yàn)楹筒罴訖?quán)方式的不同，需要先將和、差信號(hào)分開，在陣元級(jí)別分別進(jìn)行和、差的獨(dú)立加權(quán)，這將導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)特別復(fù)雜、龐大，不利于工程實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在子陣級(jí)波束形成上做了大量的研究，如從子陣級(jí)和差方向圖性能的角度提出基于椎削函數(shù)量化的子陣劃分方法[7]，F(xiàn)errier等人[8]提出的非均勻與均勻鄰接子陣，副瓣電平性能沒有得到改善。優(yōu)化子陣劃分可以改善副瓣性能，但受限于TR組件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意形式的子陣分割，尤其在大型陣面中無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用[9-11]。也有一些采用和差一體化設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)[12-14]，其設(shè)計(jì)難度較大，且不具通用性。

本文提出了一種通用的單脈沖雷達(dá)天線和差波束低副瓣設(shè)計(jì)方法，綜合圓形陣面、和波束Taylor加權(quán)、差波束密度加權(quán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和、方位差、俯仰差波束低副瓣，基于二級(jí)子陣架構(gòu)，降低了大型相控陣天線饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和硬件成本。一級(jí)子陣內(nèi)采用全盲插、無(wú)纜化設(shè)計(jì)，二級(jí)子陣采用射頻電纜互聯(lián)，與傳統(tǒng)方式比可節(jié)省50%的電纜使用。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式具有一定的通用性，根據(jù)陣面大小、TR組件的形式，綜合考慮工程實(shí)現(xiàn)性，對(duì)一級(jí)子陣、二級(jí)子陣規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)和波束、方位差波束以及俯仰差波束同時(shí)的低副瓣性能。

1 陣面分布

工作在C波段的單脈沖雷達(dá)天線采用兩維相掃形式，具有方位向、俯仰向兩維±60°，±45°的掃描覆蓋能力，波束寬度要求：2°(Az)×2°(El) (中心頻率、法向方向)，副瓣要求：和波束<-30 dB，方位差、俯仰差波束<-20 dB。考慮采用圓形陣面口徑可以得到原始的低副瓣性能，計(jì)算得到天線陣面規(guī)模，方位向和俯仰向最大單元數(shù)為Nx列和Ny行，輻射單元采用三角排列方式，根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮雷達(dá)波束空域覆蓋范圍內(nèi)不出現(xiàn)柵瓣，

(1)

采用基于二級(jí)子陣的和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，一級(jí)子陣有4×4=16個(gè)輻射單元，如圖1所示，輻射單元采用三角排布，每個(gè)輻射單元后接一個(gè)有源收發(fā)組件(TR組件)(實(shí)現(xiàn)二維大角度相位掃描)，在一級(jí)子陣內(nèi)部完成TR組件供電、移相、衰減控制以及接收射頻信號(hào)合成或發(fā)射射頻功率分配，每個(gè)一級(jí)子陣外射頻接口只有1個(gè)。

圖1 一級(jí)子陣分布Fig.1 Diagram of first subarray divided of antenna

1.1 天線陣面設(shè)計(jì)

天線陣面為圓形平面相控陣天線，包含若干個(gè)一級(jí)子陣。天線陣面輻射單元分布如圖2所示，紅色區(qū)域?yàn)橛行л椛鋯卧總€(gè)輻射單元對(duì)應(yīng)一個(gè)有源收發(fā)通道，按區(qū)域分成12個(gè)二級(jí)子陣，二級(jí)子陣內(nèi)部各一級(jí)子陣的射頻信號(hào)通過(guò)功分合路器、射頻電纜連接。為滿足單脈沖雷達(dá)使用要求，天線陣面需在4個(gè)象限對(duì)稱分布，考慮接收饋電網(wǎng)絡(luò)的工程可實(shí)現(xiàn)性，采取如圖3所示的陣面二級(jí)子陣劃分方式。

圖2 天線陣面輻射單元分布Fig.2 Antenna array radiation element distribution

圖3 天線陣面二級(jí)子陣劃分示意Fig.3 Diagram of second subarray divided of antenna

1.2 方向圖仿真計(jì)算

基于陣列理論[15]，天線陣面的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖計(jì)算公式為：

(2)

式中，θ，φ的定義參見圖4的陣面坐標(biāo)示意圖；amn表示陣中第m行、n列單元位置的激勵(lì)；xmn表示x軸向坐標(biāo)值；ymn表示y軸向坐標(biāo)值；β為電磁波在空氣中的傳播常數(shù)。

圖4 陣面坐標(biāo)示意Fig.4 Diagram of array coordinate

為了獲得和差低副瓣性能，需要對(duì)每個(gè)輻射單元位置的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，根據(jù)陣列理論以及工程經(jīng)驗(yàn)，和波束采用Taylor幅度加權(quán)、差波束采用Bayliss加權(quán)能更好地實(shí)現(xiàn)和、差波束的低副瓣性能，不管是在陣元級(jí)還是在一級(jí)子陣級(jí)，單獨(dú)加權(quán)都難以工程實(shí)現(xiàn)，饋電網(wǎng)絡(luò)過(guò)于龐大，硬件量大，不利于低成本控制。考慮在二級(jí)子陣上做改進(jìn)，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：在陣元級(jí)的TR組件內(nèi)采用滿足和波束低副瓣性能的Taylor幅度加權(quán)，二級(jí)子陣做和差處理，和波束合并所有射頻信號(hào)，方位差、俯仰差波束時(shí)引入密度加權(quán)以實(shí)現(xiàn)低副瓣。方位差波束形成時(shí)，圖3所示的11號(hào)、12號(hào)二級(jí)子陣不貢獻(xiàn)射頻能量；俯仰差波束形成時(shí)，圖3所示的5號(hào)、6號(hào)二級(jí)子陣不貢獻(xiàn)射頻能量。

基于上述設(shè)計(jì)，按式(2)算法采用Matlab進(jìn)行和差方向圖波束仿真計(jì)算 。仿真計(jì)算時(shí)，輻射單元三角排布，方位向和俯仰向最大單元數(shù)為Nx和Ny，進(jìn)一步地，為使仿真結(jié)果更準(zhǔn)確，引入工程實(shí)現(xiàn)的數(shù)字移相器移相、幅度衰減誤差，即5.625°相位隨機(jī)誤差、0.5 dB幅度隨機(jī)誤差，并給出差波束采用密度加權(quán)與否的方向圖的性能仿真對(duì)比。

天線陣面的仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)和圖5(b)為方位維仿真結(jié)果以及局部±20°范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)曲線，圖5(c)和圖5(d)為俯仰維仿真結(jié)果以及局部±20°范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)曲線。

(a) 方位面方向圖

(b) 方位面方向圖±20°放大圖

(c) 俯仰面方向圖

(d) 俯仰面方向圖±20°放大圖圖5 天線陣面仿真方向圖Fig.5 Antenna array simulation pattern

通過(guò)±20°放大曲線可以看出，方位差、俯仰差波束的方向圖曲線采用密度加權(quán)與否的最大電平值基本保持不變，但密度加權(quán)后差波束左右主峰更聚攏，方位向近副瓣電平(-15°～15°)下降5 dB，俯仰向近副瓣電平(-5°～15°)下降8 dB，與設(shè)計(jì)初衷吻合。表1對(duì)陣面仿真結(jié)果進(jìn)行匯總。由表1可見，波束寬度、副瓣電平均符合設(shè)計(jì)要求。

表1 天線陣面仿真結(jié)果

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)以上描述的陣面加權(quán)，對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)原理如圖6所示，前文講述的24單元的一級(jí)子陣已完成射頻信號(hào)的合并，根據(jù)圖3給出的二級(jí)子陣分布方案，二級(jí)子陣射頻信號(hào)根據(jù)其規(guī)模大小采用相應(yīng)的功分合路器以及射頻電纜實(shí)現(xiàn)對(duì)外射頻接口的合并，每個(gè)二級(jí)子陣對(duì)外射頻接口數(shù)量為1個(gè)。以7號(hào)二級(jí)子陣為例，7號(hào)二級(jí)子陣包含13個(gè)一級(jí)子陣，13個(gè)一級(jí)子陣通過(guò)一個(gè)13功分合路器(發(fā)射時(shí)功分、接收時(shí)合路)以及13根射頻電纜實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的整合，其余11個(gè)二級(jí)子陣采用類似處理方式。

圖6 饋電網(wǎng)絡(luò)原理Fig.6 Schematic diagram of feed network

12個(gè)二級(jí)子陣的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器和差電路[16]完成射頻信號(hào)的收發(fā)分離、子陣級(jí)的和差信號(hào)提取。陣面工作在接收狀態(tài)時(shí)，來(lái)自二級(jí)子陣的射頻信號(hào)通過(guò)環(huán)形電路進(jìn)入到和差電路，兩兩二級(jí)子陣內(nèi)部的移相、90°橋電路實(shí)現(xiàn)和差信號(hào)分離，得到二級(jí)子陣間的和信號(hào)以及差信號(hào)，具體組合關(guān)系為：7號(hào)、8號(hào)二級(jí)子陣，1號(hào)、3號(hào)二級(jí)子陣，2號(hào)、4號(hào)二級(jí)子陣，5號(hào)、6號(hào)二級(jí)子陣，9號(hào)、10號(hào)二級(jí)子陣分別和差，得到方位向差信號(hào)以及和信號(hào)，11號(hào)、12號(hào)二級(jí)子陣和差，得到俯仰差信號(hào)以及和信號(hào)。6路和信號(hào)(B1～B6)通過(guò)俯仰和差波束網(wǎng)絡(luò)形成陣面的和波束；陣面俯仰差信號(hào)包括B1～B4，B7五路信號(hào)，具體實(shí)現(xiàn)方式詳見原理圖中的俯仰和差波束形成網(wǎng)絡(luò)；陣面方位差信號(hào)直接將5路差信號(hào)(A1～A5)合成。

該設(shè)計(jì)已用于工程項(xiàng)目中， 裝配完成后在微波暗室測(cè)試，采用近場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)天線輻射性能進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證饋電網(wǎng)絡(luò)的有效性，圖7、圖8分別給出暗室實(shí)測(cè)方位向、俯仰向和差方向圖。對(duì)比局部放大曲線可以看出，實(shí)測(cè)方向圖曲線與仿真結(jié)果高度一致，和波束副瓣實(shí)測(cè)與仿真相比略有差別。經(jīng)分析，天線副瓣電平小于-30 dB時(shí)，對(duì)輻射單元的激勵(lì)幅度、相位非常敏感，幅度、相位的細(xì)微變化均會(huì)惡化副瓣性能，且微波信號(hào)傳輸過(guò)程中存在各種互擾、耦合，以及測(cè)試環(huán)境的影響，都會(huì)引起方向圖的細(xì)微變化，最終導(dǎo)致實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果存在細(xì)微差別。實(shí)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

(a) 方位面方向圖

(b) 方位面方向圖±20°放大圖圖7 天線陣面方位向?qū)崪y(cè)方向圖Fig.7 Measured azimuth pattern of antenna array

(a) 俯仰面方向圖

(b) 俯仰面方向圖±20°放大圖圖8 天線陣面俯仰向?qū)崪y(cè)方向圖Fig.8 Measured elevation pattern of antenna array

表2 天線陣面實(shí)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種單脈沖雷達(dá)天線和差波束低副瓣設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)在某型號(hào)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)中已得到驗(yàn)證。綜合圓形陣面、和波束Taylor加權(quán)、差波束密度加權(quán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和、方位差、俯仰差波束同時(shí)低副瓣，采用基于二級(jí)子陣的陣面架構(gòu)，降低饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和硬件成本。采用一級(jí)子陣內(nèi)全盲插，無(wú)纜化設(shè)計(jì)，二級(jí)子陣間射頻電纜互聯(lián)，與傳統(tǒng)方式比可節(jié)省50%的電纜使用。在微波暗室進(jìn)行天線方向?qū)崪y(cè)，和波束副瓣電平<-28.9 dB，方位差副瓣電平<-20.4 dB，俯仰差副瓣電平<-23 dB,和波束寬度為2.03°×2.02°。該方法具有一定的通用性，任意規(guī)模的陣面均可通過(guò)合理規(guī)劃其一、二級(jí)子陣規(guī)模，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的副瓣性能。