一種數字相控陣天線陣面的研制

2024-01-03 00:27:52尚玉璽

雷達與對抗 2023年4期

蔡瀟,樊品,尚玉璽

(1.海裝上海局,上海 201300;2.南京長江電子信息產業集團有限公司,南京 210038)

0 引言

數字相控陣天線陣面由于其波束和調度的靈活性而備受重視。使用要求、環境、場景不同,對數字相控陣天線陣面的研制要求也不同。本文研制的兩維數字相控天線陣面要求采用水平極化,方位和俯仰最大掃描分別為60°、30°。為了降低天線方位掃描到極限時增益下降過快,水平共線陣子水平方向圖進行了展寬,因此兩維互耦都比較嚴重,天線副瓣更難控制。

針對上述要求,本文提出一種研制方法:通過優化設計,合理劃分子陣,改善輻射單元形式和輻射電流,有效解決了水平共線陣子雙向大掃描角互耦強、大掃描角增益下降過快和天線掃描低副瓣等問題;通過復合設計輻射單元和校準網絡,解決了低副瓣天線要求的幅相剩余誤差問題。經測試,按照本文方法研制的天線陣面滿足總體使用要求。

1 天線性能計算

1.1 天線掃描間距

首先根據天線的陣面傾角、整機要求的空域覆蓋,完成大地坐標系到天線正弦坐標系的變換,然后根據式(1)計算柵瓣單位圓與波束掃描空域位置圖[1],如圖1所示。根據面積最大法,同時考慮天線波束寬度擇優選出天線的單元間距,設計采用三角柵格,以便降低互耦和節約成本。

圖1 柵瓣單位圓與波束掃描空域圖

αx=cosEsinA

αy=sinEcosT-cosEsinTcosA

(1)

其中:αx和αy分別為正弦空間平面的X和Y軸;E為俯仰最大覆蓋角;A為方位掃描角;T為陣面傾角。

1.2 天線性能理論

根據整機使用,天線選擇水平極化,同時根據天線的副瓣電平、波瓣寬度、方向性系數[2]等要求,確定天線陣面的布局、邊界、單元形式、天線口徑和電流分配形式,然后利用下式計算天線的輻射波瓣圖:

(2)

1.3 全空域搜索天線掃描角

天線采用水平極化,水平掃描角度比較大,雙向互耦均比較強,如果輸入阻抗在波束掃描過程中發生巨大變化,將導致陣列與收發之間嚴重失配,大的反射系數將使發射的頻率漂移,或者使陣列在某些掃描空域出現盲點,既不輻射,也收不到能量。因此須計算出全空域搜索的各個掃描角,然后對其天線阻抗進行計算和匹配。

首先根據系統給出的方位最大掃描范圍和仰角最大覆蓋,計算出探測空域輪廓,然后進行波位排布。不同于傳統的機械掃描,相控陣天線波束會隨著掃描角(即偏離陣面法線的夾角)的變大而展寬,波束形狀也會改變,波束排列不均勻,同時波束在空間中的跳變存在最小波束躍度,按照系統坐標系進行波位編排會非常復雜,而采用正弦坐標系則比較簡單[3]。同時,對于給定的搜索監視空域,波位位置除了與波束性能有關以外,還與波位排列方式密切相關。此次設計的天線波束在陣面上的投影為一橢圓,橢圓率比較大,探測不能出現漏情現象,如果采用列狀波束或交錯波束都會出現漏情。因此采用低損耗波位編排,但仰角高的地方適當放寬,采用5 dB進行交錯重疊覆蓋,收發波位的排布如圖2和圖3所示。根據各波位的中心坐標,反算出天線陣面的各種掃描角,同時也可生成天線的波控碼。

圖2 按照最低損耗排列接收波位的位置

圖3 按照最低損耗排列發射波位的位置

1.4 天線匹配性能

根據計算出的天線掃描角進一步計算天線不同頻率、不同掃描角的輸入阻抗。天線陣面振子采用偶極子形式,采用矩量法[4]計算天線振子的互耦和電流:

(3)

(4)

其中:基函數

s=1,2,…,M,t=1,2,…,N,m=1,2,…,ND-1

p=1,2,…,M,q=1,2,…,N,n=1,2,…,ND-1

式(3)可以簡寫為

(5)

阻抗矩陣和電壓矩陣中的元素是已知的,解此線性方程組就可得到陣列中各振子分段節點處的電流值,從而確定各振子上的電流分布。如式(6),由各振子中點的電流值與饋電電壓的比值就可確定其輸入阻抗,根據輸入阻抗即可求出有源匹配:

(6)

陣面中間和邊緣天線振子各種掃描情況下的匹配實際測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 陣面中間天線單元不同頻率、不同掃描角的有源駐波實測結果

1.5 子陣劃分和數字波束形成

考慮到成本和陣面結構的復雜性,天線采用子陣形式進行數字化[5],子陣大小須綜合考慮系統的瞬時工作帶寬以及量化對多波束、差波束的副瓣性能影響,并理論計算驗證是否滿足要求。天線方向圖分解成子陣陣因子F1(θ,φ)和子陣方向圖F2(θ,φ),根據陣列方向圖理論,利用下式計算天線方向圖:

(7)

改變子陣的輸入幅度和相位,即可實現和、方位差、俯仰差波束和數字多波束。矩形陣列由M1(Y向)×N1(X向)個子陣組成,每個子陣由K1(Y向)×K2(X向)個天線單元組成,主波束指向(θ0,φ0)。圖6為天線陣面數字波束形成框架圖,圖7為子陣數字化的方位和差波束理論計算方向圖。

圖6 天線陣面數字波束形成框架圖

圖7 天線陣面和差水平方向圖

2 天線輻射單元設計

天線輻射單元的設計須滿足如下要求:

1)頻率范圍;

2)天線輻射單元的極化形式;

3)陣中天線輻射單元的無源駐波ρ≤1.4;

4)陣中天線輻射單元E面方向圖60°時單元增益下降不超過3.0 dB,垂H面方向圖30°時單元增益下降不超過2.0 dB。

天線輻射單元采用印刷陣子設計,采取去耦和展寬波束,其模型如圖8所示。圖9為陣中天線單元無源駐波,圖10為陣中天線單元E面和H面的方向圖。

圖8 單個輻射單元的設計模型

圖9 陣中單個輻射單元的無源駐波

圖10 陣中單個輻射單元E面和H面的方向圖

3 天線輻射單元與監測網絡復合設計

隨著系統對天線副瓣、差波束的零深要求不斷提高,除了合理選擇幅相加權函數、控制好互耦外,還要嚴格控制口徑的幅相誤差,幅相誤差包括量化誤差、制造誤差、裝配誤差、有源通道微波器件不一致性和穩定性誤差,因此須對系統中的發射通道、接收通道進行幅頻、相頻誤差測量。

研制的低副瓣天線首先在微波暗室用測試探頭進行外校準,并作幅度、相位補償至可接受的配平狀態,同時保存內外校準配平前采集的收發幅相數據,作為后期校準補償的基礎。本設計將內監測網絡放在天線上,盡量靠近天線輻射單元,復合設計天線輻射單元和監測網絡,消除天線與后端不匹配帶來的輸入電流的幅相誤差,以提高幅相誤差補償的準確性。輻射單元與監測網絡復合設計布置如圖11、12所示,圖13為天線陣面校準信號流程,圖14、15為天線陣面校準后的相位剩余誤差和幅度剩余誤差。

圖11 輻射單元與監測網絡復合設計的正面布置圖

圖12 輻射單元與監測網絡復合設計的背面布置圖

圖13 整個天線陣面收發校準網絡圖

圖14 整個天線陣面校準后的相位誤差圖

圖15 整個天線陣面校準后的幅度誤差圖

4 研制與測試

天線陣面如圖16所示。在微波暗室完成天線方向圖測試,圖17、18分別為接收狀態下不同掃描情況的方位方向圖和俯仰方向圖,圖19為接收狀態下的方位和差方向圖,圖20為發射狀態下俯仰的展寬波瓣圖。從圖17可以看出:當天線方位掃描到60°時,天線增益相比法線增益下降不超過4 dB,天線副瓣不超過-32 dB,滿足總體使用要求。