湯艷燕，王周海，鄒永慶，謝　科，2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥230088)

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和差一體化雷達天饋線研究

湯艷燕1，王周海1，鄒永慶1，謝科1，2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥230088)

介紹了一種體積小、質量輕及和差一體化網絡的相控陣雷達天饋線系統(tǒng)，實現(xiàn)了方位面同時和差波束。詳細介紹了饋線系統(tǒng)的組成與設計，簡要介紹了系統(tǒng)的校正方法和校正原理，討論了影響天線性能指標的誤差因素，給出了和差一體化天饋線系統(tǒng)主要指標的設計結果。

雷達饋線系統(tǒng)；和差一體化網絡；和差相對幅度；和差相對相位；天線增益；波束指向

0　引　言

本文研究的是一種放置在狹小空間內的和差一體化相控陣雷達天饋線系統(tǒng)，要求體積小、質量輕且適用于機載雷達工作環(huán)境。該雷達系統(tǒng)要實現(xiàn)方位面同時和差波束測角，如采用常規(guī)的設計需要饋線系統(tǒng)配置一組和波束形成網絡、一組差波束形成網絡，兩套網絡加上其他的功能器件，會使得饋線系統(tǒng)的組成和設計非常復雜。綜合考慮雷達系統(tǒng)的特殊使用環(huán)境，設計時充分考慮減少設備復雜性，整個饋線系統(tǒng)巧妙地與天線陣面集成在一體，有效地減少了雷達的體積和質量，實現(xiàn)了很好的性能指標要求。

1　和差一體化雷達天饋系統(tǒng)組成

1.1天饋系統(tǒng)組成及設計要求

本雷達采用數字波束形成技術，其天饋系統(tǒng)由背靠背雷達天線陣面、T/R單元、波束控制單元、波束合成與分配網絡[1]、二次電源等組成。每個有源天線陣面為N根對稱波導線源、其單元分別和N只T/R單元相連。有一行波陣列饋源實現(xiàn)有源天線的電流口徑分布采樣。天線發(fā)射時水平面采用均勻加權。該系統(tǒng)只能對和波束進行通道幅相誤差校正，使得差波束的幅相誤差只能通過網絡自身來實現(xiàn)。饋線系統(tǒng)中和差兩組波束形成只能采用獨立的加權設計。和波束幅度加權由T/R組件內數字衰減器實現(xiàn)，依靠T/R組件的發(fā)射功率一致性及相位控制實現(xiàn)天線遠區(qū)低副瓣。接收時采用幅度加權實現(xiàn)全區(qū)域的低副瓣。和波束按Taylor分布加權，差波束饋電網絡采用Bayliss分布加權設計。其原理圖見圖1所示。

圖1　和差一體化饋線系統(tǒng)原理圖

饋線系統(tǒng)通過合理的布局將和差兩套網絡巧妙集成在一起進行集成化設計，其主要由和差共面饋線網絡組成，也稱寄身式和差一體化波束形成網絡。1∶N路和差一體化波束形成網絡通過T/R單元與天線子陣匹配，見圖2所示。其和波束是收發(fā)兼用，差波束只用于接收。和差波束的激勵方式是采用雙重激勵，一種激勵使各單元相對于主瓣最大值都是同相激勵的，以直接產生和方向圖。另一種激勵把整個陣列以幾何中心分成兩半，兩個半陣列的激勵相位相差180°以直接產生差方向圖。其設計特點如下：

(1) 子陣設計技術

從圖2可以看出，整個系統(tǒng)饋電網絡采用分級的子陣式設計技術。即N路饋電網絡共分成三級：第1級由若干只1∶3和差一體化波束形成網絡組成；第2級由若干只1∶4和差一體化波束形成網絡組成；第3級由若干只1∶16和差一體化波束形成網絡組成。級與級之間通過低損耗柔軟電纜連接。

(2) 共用底板設計技術

第1級和第2級和差一體化饋線網絡1和2和差網絡均采用共腔體設計，在兩套網絡的中間共用一塊底板，同時底板上開孔以兼作和波束的傳輸通道，從而減小了體積和質量，節(jié)約了饋線系統(tǒng)內部空間。

(3) 微帶垂直過渡技術

第3級和差一體化饋線網絡3在其薄介質基板上采用了最優(yōu)化的微帶垂直過渡技術，實現(xiàn)了和差通道的電氣互聯(lián)和結構上的分離，提高了網絡的集成度，進一步減小了體積和質量，實現(xiàn)了和差網絡的一體化設計。

(4) 多種功分器電路統(tǒng)一設計技術

差波束采用有耗網絡[2]實現(xiàn)Bayliss分布，簡化了單元功分器品種，從而減小了饋線系統(tǒng)的設計難度。

(a) 陣面和差網絡示意

(b) 陣面和差波束合成輸出示意圖

1.2復雜天饋線系統(tǒng)性能指標

(1) 饋線系統(tǒng)駐波

該饋線系統(tǒng)中發(fā)射通道和接收通道都由多級饋線元件組成，各個元件的連接很難做到完全匹配。由于這些不匹配節(jié)點的存在，電磁波在系統(tǒng)中的反射不可避免。反射波引起的各單元通道之間的幅相一致性對天線的增益、副瓣等都有不同程度影響。所以，要使信號能夠在和差通道間反射損耗小，能量能夠充分傳輸，和差通道總口和分口駐波盡量小。

以某一個反射系數|Гp|和在頻帶內不超過此值的概率P來描述饋線系統(tǒng)駐波[3]。

一般情況下，假定|Гi|在頻帶內為等概率分布,則|Г|≤∣Гp∣

式中，ξi為輸入端口到第i個元件之前的雙程電壓衰減系數的模值，|Гi|max為頻帶內的最大值，|Гi|min為頻帶內的最小值。

(2) 和差通道幅度及相位

該相控陣天線系統(tǒng)只能對和波束進行通道幅相誤差校正，而且被校正信號仍為和差波束共用信號。差通道必須具有高度的幅相穩(wěn)定性(不能被校正)。由于在和差信號分開之前就實現(xiàn)了和波束的幅度和相位加權，因此差波束的幅度和相位加權只能通過網絡設計來保證。要實現(xiàn)差波瓣必須保證陣面有180°的相差，即保證和差相對相位左半個陣面和右半個陣面相差180°。子陣式設計中第1級和差網絡的設計能實現(xiàn)陣面相差180°。和波束在T/R組件中實現(xiàn)Taylor分布，要求饋線系統(tǒng)和通道幅度同頻點起伏較小。

(3) 和差相對相位

對于和差一體化設計，饋線網絡在與T/R單元相連接處又分成N/16塊子塊。子塊與子塊之間和差相對相位不宜有過大的相位臺階。相對相位臺階過大對整個副瓣影響極大，因一個臺階影響到16個天線單元的相位值，左半個陣面和右半個陣面在保證180°的情況下相對相位盡量保持一致。

(4) 和差相對幅度

陣內分口和差共用。差通道Bayliss分布加權是靠饋電網絡來實現(xiàn)的，和波束在T/R組件中已實現(xiàn)Taylor分布加權，所以在饋電網絡調試階段將和差相對幅度與理想幅度要求一致。

在整機聯(lián)試階段饋線系統(tǒng)和差通道的相位一致性要求對波瓣最為敏感，且此系統(tǒng)較為復雜，誤差來源較多，具有很多不確定性，見表1。另外，差波瓣是通過小量化臺階衰減網絡來實現(xiàn)Bayliss分布，不能進行幅相校正。因此，要保證差波束有理想的波瓣圖就必須對和差相對幅度和相對相位提出較為嚴格的指標設計要求。

2　和差一體化天饋線系統(tǒng)中的校正原理[4-5]

此天饋線系統(tǒng)的饋電網絡是和差共用的。和波瓣的饋線系統(tǒng)幅度和相位誤差可以通過安裝在天線陣面的校正網絡進行幅度、相位校正。校正系統(tǒng)主要由校正信號源和射頻矩陣開關通過弱耦合器(校正網絡)與T/R模塊、射頻波束形成網絡、幅相接收機一起構成整個系統(tǒng)的射頻校正通道。在校正時關閉雷達發(fā)射機和信號源，測試信號饋入校正網絡, 通過先檢測各通道的幅度和相位，從DBF校正網絡依次取出復信號，用“Matlab工具”求得幅度、相位。利用波束控制系統(tǒng)將各通道的幅度和相位校正到需要的設計值，作相應的幅相補償。校正原理如圖3所示。聯(lián)試時要對其系統(tǒng)反復進行幅、相誤差修正。

圖3　和波束幅度(a)和相位(b)校正原理圖

3　和差共面天饋線系統(tǒng)中的誤差來源

此天饋線系統(tǒng)中的誤差來源較多，分析也較復雜，各類誤差對幅度、相位影響較大，直接影響天線的性能指標。通過內校正，校正線以內的饋線誤差可以被校正系統(tǒng)校正，校正后的結果見圖3所示。但是，來自校正線至天線陣面的誤差很難被系統(tǒng)校正，如表1所示。

表1　誤差來源及相關表

天線單元之間互耦所引起的駐波變化、幅度和相位變化等對天線波瓣的副瓣電平、天線增益以及波束指向等都有不同重度的影響。如何減小這些因素的影響成為天饋線系統(tǒng)工作者們研究的課題。系統(tǒng)的駐波、幅度、相位一致性和收發(fā)隔離等指標都是至關重要的。由于本系統(tǒng)是一種基于T/R單元的天饋線系統(tǒng)，收發(fā)隔離主要靠T/R單元來保證，饋線系統(tǒng)的駐波可以通過一些調試方法盡量減小，且可通過內校正被校正，但來自天線的誤差很難被校正，只能依靠經驗值進行設計。

4　和差一體化天饋系統(tǒng)主要指標

和差一體化天饋系統(tǒng)主要指標有和差相對幅度和相對相位，圖4給出了等權模式下的和差相對幅度，圖5給出了和差相對相位，圖6給出了和差波瓣圖。

圖4　一體化天饋系統(tǒng)和差幅度

圖5　一體化天饋系統(tǒng)和差相位

圖6　一體化天饋系統(tǒng)未加權值時波瓣圖

5　結束語

本文介紹了一種體積小、質量輕、可靠性高、性能好的N路和差共用一體化設計的天饋線系統(tǒng)，實現(xiàn)了水平面同時和差波束測角，發(fā)射激勵等幅，差波束有很高的零深與副瓣，和差陣面通過采用微帶垂直過渡實現(xiàn)了和差通道的電氣互聯(lián)和結構上的分離，每個陣面獨立工作，已成功地應用于某雷達產品。

[1]雷振亞. 射頻/微波電路導論[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005：20-21.

[2]湯艷燕,王周海,張佳龍.S波段高精度小量化臺階衰減網絡的研究[J].雷達與對抗,2008(3).

[3]張光義.相控陣雷達系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994:30-33.

[4]曹俊鋒,許建文,方云.接收DBF雷達系統(tǒng)校正技術[J].火控雷達技術，2007(4).

[5]鄒永慶,張玉梅,曹軍.用串饋矩陣開關BIT測試系統(tǒng)對相控陣天線的檢測、校正及補償[J]. 雷達科學與技術,2009(4).

Asumanddifferenceintegratedradarantennaandfeedersystem

TANGYan-yan1,WANGZhou-hai1,ZHOUYong-qing1,XIEKe1，2

(1.No.38ResearchInstituteofCETC,Hefei230088;2.ApertureArrayandSpaceDetectionKeyLabofAnhuiProvince,Hefei230088)

Anantennaandfeedersystemofthephasedarrayradarwithsmallsize,lightweightandsumanddifferenceintegratednetworkisintroduced,realizingthesimultaneoussumanddifferencebeamsinazimuthplane.Thecompositionanddesignofthefeedersystemareintroducedindetail,andthecorrectionmethodsandprincipleofthesystemarebrieflyintroduced.Theerrorfactorsthataffecttheantennaperformancesarediscussed,andthemainindexesofthesumanddifferenceintegratedantennaandfeedersystemaregiven.

radarfeedersystem;sumanddifferenceintegratednetwork;sumanddifferencerelativeamplitude;sumanddifferencerelativephase;antennagain;beampointing

2016-04-03；

2016-04-20

湯艷燕(1979-)，女，工程師，研究方向：雷達天饋線系統(tǒng)；王周海(1969-)，男，研究員，研究方向：雷達天饋系統(tǒng)。

TN821.8

A

1009-0401(2016)03-0054-04