郭斌興，王 杰，蘇宏艷

（毫米波遙感技術重點實驗室，北京100854）

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事技術的快速發(fā)展，面對高速機動目標和復雜戰(zhàn)場環(huán)境的威脅，導彈導引頭需要具備波束快速掃描、空域濾波、寬視角目標跟蹤等能力。柱面共形相控陣天線應用于導彈制導，將帶來大離軸發(fā)射、大視角空間探測跟蹤、快速掃描、增益保持等優(yōu)點，同時擁有適于多傳感器復合制導、提高導彈隱身性等技術優(yōu)勢［1-3］。

柱面共形相控陣天線的研究已有相當長時間?，F(xiàn)有天線主要用于地面、艦載和機載的通信或監(jiān)視雷達［4］，上述平臺對于天線安裝的空間要求較低，天線波束形成與掃描采用固定饋電的機械轉動、開關網絡、透鏡掃描、數(shù)字波束形成等方式，通常收發(fā)只需一個和波束。而目前彈載共形相控陣天線的研制還面臨著諸多技術難題，尤其是將其應用到單脈沖角跟蹤導引頭，一方面彈載空間狹小，要實現(xiàn)天線硬件的共形組陣和高密度安裝；另一方面還要求柱面共形相控陣天線在波束電掃描、切換饋電區(qū)域的同時，實時形成和、差波束，用于導引頭測角，功能也更加復雜。本文結合工程需求，設計并研制了一種柱面共形單脈沖相控陣天線，工作于Ku波段。該天線沿圓柱軸向采用常規(guī)的相位控制掃描，沿圓柱周向通過特殊的多級饋電和開關網絡設計，實現(xiàn)開關切換與相位控制相結合的掃描方式并實時形成和、差波束。

1 天線組成及工作原理

本文設計的彈載柱面共形單脈沖相控陣天線原理樣機，包括：柱面相控陣天線陣列、1×8線陣模塊（含T／R 組件）、開關網絡、饋電網絡、和差比較器、波束控制器、電源等，系統(tǒng)原理如圖1所示。

天線系統(tǒng)采用模塊化方式集成，由N 片1×8線陣模塊沿圓柱周向排列組成，所占扇區(qū)對應的圓心角為90°。波束掃描時，波束控制器接收外部掃描角度指令（θ，φ），進行處理解算，控制開關網絡及柱面共形相控陣天線陣列，選通周向2 M（N＝3 M）片線陣模塊，占圓心角60°的柱面扇區(qū)為饋電區(qū)域，使波束指向指令角度，并將其劃分為A、B 兩個相互對稱的象限用于和差波束形成。波束掃描過程中，陣元工作的通斷切換和幅相加權隨時變化，由開關網絡、功分器等組成的饋電網絡與波束控制器共同配合實時解決。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

天線發(fā)射時，信號加到和差比較器的Σ 端，激勵選通的天線扇區(qū)，經過相應功分器和開關網絡，饋入到受激勵的各列向線陣模塊的射頻信號口，在模塊內經1／8等功率分配到每一個陣元通道；天線接收時，A、B兩個象限的接收信號分別輸入到和差比較器端口，和差比較器的Σ端輸出和信號（A＋B），Δ 端輸出周向方位差信號（A-B），用于圓周向單脈沖測角。收發(fā)信號通過環(huán)形器隔離。

2 天線系統(tǒng)設計

2.1 柱面共形陣組陣方式

柱面共形單脈沖相控陣天線選擇“磚塊式”組陣方式。如圖2所示，N 片1×8線陣模塊沿圓柱周向排列，對應圓心角為90°。天線輻射陣元的極化方向平行于圓柱母線，避免了共形帶來的交叉極化問題［5］。為盡量減小陣元間互耦影響，同時在掃描范圍內不出現(xiàn)柵瓣，天線陣元間距如下：周向d1＝0.6λ，軸向d2＝0.6λ，λ為工作中心頻點對應的波長。

適用于共形相控陣天線的陣元形式包括微帶貼片天線、偶極子天線、Vivaldi槽線天線等［6］?？紤]本系統(tǒng)天線組陣方式及集成要求，如圖3所示，輻射陣元采用偶極子天線，帶狀線饋電，帶寬及波束寬度都能滿足要求，且制作工藝簡單便于集成，與印刷電路工藝兼容。

2.2 T／R 模塊

T／R 模塊電路設計在LTCC 基板上完成，包括有源芯片、微帶功分網絡、電源線、控制線等，并集成了陣元天線，其原理框圖如圖4所示。每個1×8線陣模塊包含8路收發(fā)通道（T／R），每個通道包含天線輻射陣元、低噪聲放大器（LNA）、中功率放大器（MPA）、矢量調制器（VM）和兩個單刀雙擲開關（SPDT），每個模塊采用等功分設計，使得通道的相位和幅度保持一致。

圖2 磚塊式柱面共形相控陣 天線組陣圖

圖3 天線陣元示意圖

圖4 T／R 模塊原理框圖

2.3 多級饋電及開關網絡

對于柱面共形單脈沖相控陣天線，每一瞬時當波束掃描到某一方向時，由于遮擋等因素，并非所有陣元都對主波束有貢獻，為避免增加旁瓣電平和降低效率，必須根據(jù)掃描角度選通貢獻大的部分陣元而關斷其它陣元；同時為滿足導引頭需求，形成單脈沖和、差波束。因此，饋電網絡的設計是天線研制的難點［7］。

本天線系統(tǒng)采用收發(fā)共用的多級強制饋電網絡，包括1×8的T／R 模塊（含1∶8功分器）、開關網絡、1∶M功分器、和差器等。其中，開關網絡為形成和、差波束時進行通道選擇的執(zhí)行機構，是一個連接T／R 模塊和1∶M 功分器的網絡系統(tǒng)，由2 M個單路選通微波矩陣開關組成。矩陣開關具有體積小、頻帶寬、隔離度高、帶內平坦等技術特點，工作頻帶內端口駐波小于-10dB，插損小于5dB，各矩陣開關間插損不一致性小于1dB。

整個饋電網絡從設計、工藝、加工等方面保證各通道之間信號幅度、相位的一致性，盡量降低饋線損耗，提高耐受功率、通道隔離度。在天線集成后，實測出通道間幅度、相位誤差，進一步在波束控制器中進行補償。

2.4 天線波束掃描控制

柱面共形相控陣天線，波束掃描到不同的方向，需要選擇不同的扇區(qū)。為實現(xiàn)要求的方向圖合成低副瓣及波束精確指向，每一個天線陣元都需要進行獨立的幅度和相位加權，且幅度加權系數(shù)隨目標的位置而變化，進一步增加了波束控制的難度。

本天線波束沿周向掃描時，采用兩級控制［8］。

第1級為粗略控制，按照一個周向單元的增量移動，通過開關網絡選通、切換不同激勵扇區(qū)，提供對波束的粗略控制，對應的掃描步長為周向單元的角度間隔。示意圖如圖5所示。

第2級為精確控制，在選通的激勵扇區(qū)內對所有陣元進行幅度、相位調制，實現(xiàn)精確控制，使得天線的等相位面始終垂直于波束方向。如圖6所示的全局圓柱坐標系下，第（m，n）天線陣元坐標為（R，φmn，zm），波束空間指向角為（θ，φ）。對于每個天線陣元，將上述五個參數(shù)代入相應公式，計算被選通陣元的理論相位偏移φmn 。為實現(xiàn)天線方向圖低副瓣要求，幅度分布采用切比雪夫或泰勒分布，利用投影法獲得柱面內工作陣元的理論幅度激勵系數(shù)Amn。

圖5 切換激勵扇區(qū)，波束粗略 掃描示意圖

圖6圓柱坐標系

由于天線不同通道間的實際幅度和相位不一致性等原因，在天線集成后首先進行近場校準，錄取相應校準數(shù)據(jù)ΔAmn、Δφmn ，并裝訂在天線波束控制器中。則掃描過程中，對每個陣元補償后的幅、相激勵系數(shù)為：

波束控制器完成波控指令的接收、處理、解算、分發(fā)，控制開關網絡和各陣元通道的幅度、相位，進行波束形成和掃描。同時，還具有總線接口擴展以及與其它系統(tǒng)的時序配合、通道電源使能控制等功能。

3 測試結果

集成后的柱面共形單脈沖相控陣天線，分別針對不同饋電區(qū)域、不同頻段的情形，進行相應工作陣元通道幅度、相位的近場校準測試。經過校準后的天線在天線暗室進行遠場方向圖測試，包括天線和、差方向圖、天線指向精度、天線增益隨掃描角變化。

由圖7可以看出，本文設計研制的柱面單脈沖相控陣天線在圓周方向波束掃描時，和波束增益基本維持不變，副瓣滿足設計要求；差波束零深隨不同角度略有起伏變化，但總體上都低于-25dB 的設計指標，能夠滿足單脈沖測角的要求。

圖7 周向掃描不同角度實測和差方向圖

4 結束語

本文設計的柱面共形單脈沖相控陣天線，采用模塊化設計，實現(xiàn)了在狹小彈載空間中天線的高密度集成。通過特殊的多級饋電和開關網絡設計，滿足了波束掃描轉換饋電區(qū)域的同時形成單脈沖測角和差波束的需求。研制成功的天線性能良好，測試結果證明了該設計的可行性和理論分析的正確性，為進一步研制360°全向掃描的柱面共形單脈沖相控陣天線奠定了基礎?！?/p>

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