無源毫米波成像雷達準光路及聚焦天線設計

王楠楠,陸滿君,高昂卓,王碧芬,王鵬程,邱景輝

(1.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.上海無線電設備研究所,上海 201109)

0 引言

對空中目標尤其是空中隱身目標的探測,是當前戰爭中的重要制敵手段。目前用于探測空中目標的雷達主要有激光雷達[1-2]、紅外與可見光雷達[3]、微波主動和被動雷達等。微波主動雷達[4]成像效果好,能夠形成高對比度的圖像,但由于自身發射信號,導致隱蔽性較差。另外,隨著隱身技術的發展,目標的雷達散射截面積降低,這對微波主動雷達系統的隱身目標探測性能提出了更高的要求。激光、紅外和可見光雷達探測受天氣和大氣影響大,無法實現全天候工作[5]。以非合作目標為輻射源的微波被動雷達[6]本身不發射電磁信號,隱蔽性較好,也具有一定的隱身目標探測能力。但由于依賴于其他各種非合作目標發射的電磁信號[7],微波被動雷達存在緊急狀態下因非合作目標被關閉而失去探測跟蹤能力的情況[8]。

無源毫米波成像雷達利用毫米波段輻射計,完全被動地接收來自目標和背景的毫米波段的輻射信號,根據目標和背景的輻射亮度溫度差異來探測目標。無源毫米波成像雷達具有探測隱身目標能力強、隱蔽性好、不依賴于非合作目標發射信號的優點,并能實現全天時、全天候工作,對于空中目標探測具有極其重要的意義。

相比于非成像無源毫米波雷達,無源毫米波成像雷達的探測結果更直觀,獲得的目標細節特征更豐富。焦平面陣列成像是無源毫米波雷達成像探測的一種重要體制。該體制將毫米波輻射計陣列置于聚焦天線的焦平面上,采用凝視陣或輻射計線陣結合機械掃描來覆蓋視場。在焦平面陣列成像系統中,饋源天線偏離焦點時會產生波束畸變,影響系統的空間分辨率。因此研究無源毫米波成像雷達的準光路和聚焦天線設計方法,分析天線的聚焦特性,對于系統性能提升具有重要的意義。

本文采用理論建模、仿真分析的方法,設計用于無源毫米波成像雷達的準光路和聚焦天線。對比拋物面和偏置拋物面兩種結構形式的反射面聚焦天線的聚焦特性,并分析35 GHz和94 GHz頻段饋源焦徑比、偏焦角度等對聚焦天線性能的影響。采用角錐喇叭天線陣列作為聚焦天線饋源陣列,研究低互耦饋源天線陣列,并分析天線饋源支架對其聚焦特性的影響。比較喇叭饋源與理想高斯饋源照射時,聚焦天線方向圖性能的差異。最后探討系統增加支架支撐的影響。

1 準光路設計及天線理論模型

1.1 無源毫米波成像準光路設計

(1) 準光路設計原理

為了平衡無源毫米波成像雷達成本與成像實時性的矛盾,在焦面陣成像系統中,通常采用輻射計線陣結合機械掃描的方式覆蓋視場。準光路設計示意圖如圖1所示。

圖1 準光路設計示意圖

圖1中,以拋物面天線作為聚焦天線,聚焦天線口徑為D,毫米波輻射計陣列一維排布在以拋物面天線頂點為圓心、以拋物面焦距f為半徑、偏離聚焦天線軸線±θm的圓周上,饋源橫向排布范圍為2x。α為饋源天線對聚焦天線的半張角。無源毫米波雷達準光系統通過一維輻射計和饋源天線陣列覆蓋俯仰向15°的視場,通過機械掃描實現方位向360°空域覆蓋。同時,可以通過俯仰向的掃描實現全空域覆蓋。

(2) 角分辨率

根據瑞利準則,無源焦平面成像系統最小分辨角δ(近似等于最佳照射時的天線半功率波束寬度)可表示為式中:λ為波長。采用中心工作頻率為35 GHz和94 GHz 的輻射計,其工作波長分別為8.57 mm 和3.20 mm,當聚焦天線口徑D為1 500 mm 時,角分辨率分別為0.40°和0.15°。

(3) 采樣

為滿足奈奎斯特完全采樣條件,每個波束需采樣2次,則15°視場范圍內,35 GHz頻段需采樣75個點,94 GHz頻段需采樣200個點。但實際上受限于輻射計天線陣列橫截面尺寸和系統成本,在輻射計線陣方向(本設計的俯仰向)通常采用欠采樣。

對于方位向采樣,不僅要考慮奈奎斯特采樣率,還要考慮采樣間隔、成像幀頻和輻射計積分時間的關系。每個波束采樣2次,360°視場范圍內,35 GHz頻段需采樣1 800個點,94 GHz頻段需采樣4 800個點。若系統幀頻為0.33 Hz,掃描360°形成一幅條帶圖像所需時間為3 s,則35 GHz 頻段每個采樣點駐留的時間為1.670 ms,94 GHz頻段每個采樣點駐留的時間為0.625 ms。小型化全功率直接檢波式輻射計積分時間分別為0.5 ms(35 GHz頻段)和50μs(94 GHz頻段),均小于采樣點駐留時間,且可以通過多次采樣取平均值的方式進一步提高系統的溫度靈敏度。

(4) 饋源陣列排布范圍

如圖1所示,以拋物面天線為例,輻射計和饋源天線陣列相對于拋物面聚焦天線頂點的張角為±θm,拋物面的焦距為f,則饋源陣列排布范圍2x可表示為

焦徑比F為天線的焦距f與口徑D之比,即F=f/D。拋物反射面焦徑比F為1時,若拋物面天線口徑為1 500 mm,則饋源天線陣列與拋物面中心的距離等于拋物面焦距f,即該距離為1 500 mm。將饋源天線陣列單元的相位中心放置于以拋物面頂點為圓心、半徑為1 500 mm 的圓周上,饋源陣列的排布偏角范圍為±8°。此時,計算可得饋源陣列排布范圍為0.42 m。

1.2 聚焦天線理論模型

金屬反射面聚焦天線對波束具有良好的聚焦效果,采用拋物面天線和偏置拋物面天線,對比二者在焦面陣成像系統中的聚焦特性。

(1) 拋物面聚焦天線

采用球坐標系,將拋物面焦點o＇設置為坐標原點,(r＇,θ＇,φ＇)表示球坐標系下拋物面上的點坐標。在直角坐標系oxyz中,使拋物面的頂點位于坐標原點o,焦點位于點o＇,焦距為f。拋物面的口徑為d,拋物面深度(即拋物面頂點o到口面的距離)為h,位于焦點o＇處的饋源天線對于拋物面的半張角為θ0。拋物面聚焦天線結構如圖2所示,幾何參數見表1。

表1 拋物面聚焦天線結構幾何參數

圖2 拋物面聚焦天線結構

根據圖2,拋物面母線方程用極坐標可表示為

(2) 偏置拋物面聚焦天線

偏置拋物面天線可以避免饋源天線陣列對波束的遮擋。偏置拋物面是由一個圓柱體與一個焦距為f的母拋物面所截而成。設偏置拋物面的坐標系為ox＇y＇z＇,其點坐標用(r＇,θ＇,φ＇)表示,母拋物面的坐標系為oxyz,其點坐標用(r1,θ1,φ1)表示。偏置拋物面幾何參數包括3個,即f,θa,θc,其中θa為 中心軸偏置角,θc為偏置拋物面邊沿與焦點所在位置所成的半張角。偏置拋物面聚焦天線結構如圖3所示,幾何參數見表2。其中d2為偏置拋物面在xoz平面內的物理口徑,d1為偏置拋物面在xoz平面內的x軸投影口徑,h1為偏置拋物面兩邊緣點在xoz平面內z方向的距離,h2為偏置拋物面頂點與其下邊緣點在xoz平面內z方向的距離,h3為偏置拋物面在xoz平面內的口面深度。

表2 偏置拋物面結構幾何參數

圖3 偏置拋物面聚焦天線結構

根據圖3,偏置拋物面方程可表示為

1.3 饋源天線設計

采用角錐喇叭天線作為饋源天線陣列單元。為了提高主瓣效率和聚焦天線的口面利用效率,將饋源天線對聚焦天線的邊緣照射電平設置為-10 dB。根據準光路設計,饋源喇叭天線對聚焦天線反射面的半張角約為26°,饋源天線增益約為15 dB。角錐喇叭模型參數見表3。其中ν為角錐喇叭天線工作頻率,a和b分別為角錐喇叭邊長,l為角錐喇叭深度。

表3 角錐喇叭模型參數

35 GHz和94 Hz角錐喇叭天線模型和方向圖仿真結果如圖4所示,天線增益均為15.5 dB。E面和H 面天線方向圖表明,邊緣照射電平約為-10 d B,符合設計要求。

圖4 角錐喇叭天線模型和方向圖

2 天線聚焦特性仿真分析

2.1 焦徑比對天線波束畸變的影響

工程上設計反射面聚焦天線時,天線焦徑比F的選取范圍一般是0.6～1.4。當焦徑比較小時,焦平面上饋源偏離焦點時焦斑畸變較嚴重,同時輻射計陣列的排布范圍變小,造成饋源間距變小、單元互耦變大,不滿足奈奎斯特采樣定理;當焦徑比較大時,為了獲得較高的主瓣效率,需要提高饋源天線的增益,這在緊密排列的焦平面陣列中亦不易實現。

以理想高斯源作為饋源,對口徑為1 500 mm的偏置拋物面天線進行仿真分析,比較不同焦徑比條件下天線輻射方向圖的變化,不同頻率的仿真結果如圖5和圖6所示?？梢?當饋源位于拋物面焦點時,焦徑比的變化不會導致波束畸變;當饋源偏焦4°時,隨著焦徑比從1.4變化到0.8,頻率為35 GHz 時天線增益由53.08 dB 下降至50.32 dB,94 GHz時天線增益由57.72 dB 下降至52.42 d B;當饋源偏焦8°時,隨著焦徑比從1.4變化到0.8,頻率為35 GHz 時天線增益由49.33 dB下降至44.51 dB,94 GHz時天線增益由50.43 dB下降至46.25 dB。饋源偏離拋物面焦點時,天線的波束變寬且波束畸變程度隨偏焦角度的增大而增大,94 GHz 時的波束畸變與35 GHz時的相比更為嚴重?？梢?增大焦徑比可以改善饋源偏焦時天線的波束畸變。

圖5 不同焦徑比時偏置拋物面天線方向圖(頻率為35 GHz)

圖6 不同焦徑比時偏置拋物面天線方向圖(頻率為94 GHz)

2.2 饋源偏焦對天線波束畸變的影響

在空中目標毫米波焦平面陣列成像探測系統中,輻射計及饋源天線陣列在俯仰向覆蓋±7.5°視場,因此,需要研究當饋源天線偏離焦點時,聚焦天線的波束畸變情況。以理想高斯源作為饋源,采用1.2節中所設計的拋物面天線和偏置拋物面天線,饋源位置在聚焦天線焦點至偏離焦點8°范圍內變化(即饋源偏焦角θf為0°～8°),偏焦角變化間隔為1°,頻率為35 GHz和94 GHz時聚焦天線波束變化的仿真結果如圖7～圖10所示。

圖7 饋源偏焦對拋物面天線方向圖的影響(頻率為35 GHz)

由圖7和圖8可知,當頻率為35 GHz時,饋源偏焦角θf由0°增大至8°,拋物面天線增益由53.85 dB 下降至52.14 dB,3 dB 波束寬度由0.40°增大到0.48°;偏置拋物面天線增益由53.83 d B 下降至46.45 dB,3 d B 波束寬度由0.40°增大到0.53°。

圖8 饋源偏焦對偏置拋物面天線方向圖的影響(頻率為35 GHz)

由圖9和圖10可知,當頻率為94 GHz時,饋源偏焦角θf由0°增大至8°,拋物面天線增益由62.43 d B 下降至55.40 dB,3 d B 波束寬度由0.13°增大至0.23°;偏置拋物面天線增益由62.42 d B 下降至48.10 dB,3 d B 波束寬度由0.14°增大至0.31°。

圖9 饋源偏焦對拋物面天線方向圖的影響(頻率為94 GHz)

圖10 饋源偏焦對偏置拋物面天線方向圖的影響(頻率為94 GHz)

可見,隨著饋源偏焦角的增大,聚焦天線的增益逐漸下降,波束寬度逐漸展寬,波束不再是完美的“筆形”波束。與35 GHz頻段天線相比,相同口徑的聚焦天線在94 GHz頻段的電尺寸更大,增益隨偏焦角度變化更加劇烈,波束畸變也更加嚴重。比較拋物面天線和偏置拋物面天線,無論在35 GHz頻段還是94 GHz頻段,饋源天線偏焦時拋物面天線的波束畸變都小于偏置拋物面天線。仿真分析表明,在±7.5°的視場范圍內,波束畸變均可接受,當饋源偏焦7.5°時,94 GHz的偏置拋物面天線波束畸變最大,波束展寬為不偏焦情況的2倍左右。

2.3 饋源天線陣列設計

饋源天線陣列采用35 GHz和94 GHz雙頻喇叭天線陣列。35 GHz饋源天線采用2排交錯排列,94 GHz饋源天線采用單排排列,間距均為2λ。以94 GHz頻段7單元饋源天線陣列為例進行建模仿真,分析互耦對單元間傳輸參數和饋源天線方向圖的影響。該饋源喇叭天線排布結構如圖11 所示。該饋源天線的S參數仿真結果如圖12所示?？梢妴卧g互耦均小于-30 d B,滿足陣列單元互耦要求。

圖11 94 GHz頻段7單元饋源喇叭天線排布結構圖

圖12 94 GHz頻段饋源天線的S 參數仿真結果

饋源天線組陣前后的輻射方向圖如圖13所示。饋源天線組成陣列后,對方向圖的影響較小,在35 GHz頻段,天線H 面邊緣照射電平比組陣前下降0.3 d B,在94 GHz頻段,天線H 面的邊緣照射電平略有上升,比組陣前上升0.2 dB,滿足準光路的設計要求。

圖13 饋源喇叭天線組陣前后方向圖對比

2.4 饋源喇叭天線的反射面偏焦特性仿真

2.1和2.2節中的仿真分析采用了理想高斯饋源對聚焦天線進行照射。為了對比采用理想高斯饋源和喇叭天線饋源的差別,利用設計的角錐喇叭天線對聚焦天線進行照射,在FEKO 軟件中建模,采用多層快速多極子(MLFMM)和大面元物理光學(LEPO)法進行仿真分析,不同饋源的聚焦天線參數仿真結果見表4。

表4 不同饋源的聚焦天線參數對比

以35 GHz頻段為例,采用喇叭天線作為饋源,與采用理想高斯饋源相比,聚焦天線增益略有下降,天線波束角變化較小。喇叭天線作為饋源的聚焦天線方向圖仿真結果如圖14所示。

圖14 喇叭天線作為饋源時的聚焦天線方向圖

2.5 支架影響分析

根據上述分析結果,在無源毫米波焦面陣成像探測系統中,與偏置拋物面天線相比,饋源偏離焦點時拋物面天線的波束畸變更小,但拋物面天線面臨支架、輻射計及饋源陣列對光路的遮擋問題。

選用理想的高斯饋源進行照射,根據設計的天線尺寸,饋源排布偏角范圍為±7.5°,確定橫梁的尺寸為40 mm×40 mm×400 mm,用以模擬饋源陣列占據的空間,支架的橫截面尺寸為20 mm×20 mm,支架與橫梁連接,分析橫梁和支架對拋物面天線及偏置拋物面天線聚焦特性的影響。包含支架的聚焦天線結構示意如圖15所示。

圖15 包含支架的聚焦天線結構

在35 GHz和94 GHz頻段,有無支架的拋物面及偏置拋物面天線方向圖仿真結果分別如圖16和圖17所示。由圖16可知,對于拋物面天線,饋源陣列和支架對其旁瓣影響比較大,對主瓣的增益略有影響,但旁瓣的升高不影響天線的總體性能。由圖17可知,對于偏置拋物面天線,饋源陣列和支架造成的散射場影響很小,只導致天線方向圖旁瓣的微弱改變。

圖16 有無支架拋物面天線方向圖

圖17 有無支架偏置拋物面天線方向圖

3 結論

本文提出了空中目標無源毫米波焦平面陣列成像探測的準光路設計方法,將拋物面天線和偏置拋物面天線進行對比,詳細分析了焦徑比對聚焦天線性能的影響,以及饋源偏離焦點時聚焦天線的波束畸變。仿真結果表明:焦徑比越大,饋源偏離焦點時對聚焦天線波束的影響越小;相比于偏置拋物面天線,當饋源偏離焦點時,拋物面天線具有更好的聚焦特性和較小的波束畸變。此外,本文模擬了饋源陣列和支架對聚焦天線波束的散射效應,為空中目標無源毫米波成像探測技術的應用奠定了重要的理論基礎。