李尚生，李煒杰，付哲泉，鄒翰鋒

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001）

一種雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李尚生，李煒杰，付哲泉，鄒翰鋒

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001）

介紹了一種用于雷達(dá)模擬器的天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用角錐喇叭天線組成比幅測(cè)角系統(tǒng)，解決了方位波束寬度大和天線增益高之間的矛盾，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、天線增益和測(cè)角精度高等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)角誤差分析和電磁仿真，證明天線系統(tǒng)的增益系數(shù)、測(cè)角范圍和測(cè)角精度等主要技術(shù)指標(biāo)滿足雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)要求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

雷達(dá)模擬器；比幅測(cè)角；喇叭天線

某型武器系統(tǒng)的核心部件是主動(dòng)雷達(dá)，為了降低訓(xùn)練成本，需要用雷達(dá)模擬器代替實(shí)裝雷達(dá)進(jìn)行武器系統(tǒng)技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練［1］。雷達(dá)模擬器由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成［2］，如圖1所示。根據(jù)實(shí)裝主動(dòng)雷達(dá)的功能、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)準(zhǔn)備流程，確定雷達(dá)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻段為Ku波段，點(diǎn)頻工作；方位角度測(cè)量范圍不小于±7°；方位角度測(cè)量精度優(yōu)于0.5°；接收機(jī)靈敏度為-94 dBm（天線增益23 dB時(shí)）；天線系統(tǒng)口面尺寸不大于F=330mm；天線極化形式為垂直極化。

圖1　雷達(dá)模擬器組成框圖Fig.1 Block diagram of radar simulator

1　天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到雷達(dá)模擬器與配套技術(shù)準(zhǔn)備裝備的匹配，模擬器接收系統(tǒng)采用超外差非相參體制。雷達(dá)接收機(jī)靈敏度方程［3］：

式（1）中：k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T0為電阻溫度，取290 K；Bn為測(cè)試設(shè)備的通帶，單位為MHz；F0為接收機(jī)噪聲系數(shù)。

將式（1）轉(zhuǎn)為對(duì)數(shù)表示：

考慮到系統(tǒng)前端低噪放大器及其他損耗［4］，選擇噪聲系數(shù)為6dB，識(shí)別系數(shù)為6dB，信號(hào)接收時(shí)的處理帶寬為4 MHz。根據(jù)式（2）可得接收系統(tǒng)靈敏度：

若忽略天線系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的波導(dǎo)連接損耗，要求模擬器天線系統(tǒng)的“和”路增益不小于21dB，才能滿足雷達(dá)模擬器接收機(jī)靈敏度的設(shè)計(jì)要求。

除滿足接收機(jī)靈敏度要求以外，雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)要求就是要滿足在±7°的方位測(cè)角范圍內(nèi)測(cè)角精度優(yōu)于0.5°。可以采用比相法測(cè)角和比幅法測(cè)角，比相法測(cè)角是通過(guò)2個(gè)相隔距離d的單元天線接收信號(hào)的相位差 j來(lái)確定來(lái)波的方向q，它們之間的關(guān)系為［5］：

比相法測(cè)角的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)角精度高，且不受來(lái)波強(qiáng)度的影響，但要求2個(gè)接收天線的相位中心必須是穩(wěn)定的，否則會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)角誤差［6］。比幅法測(cè)角是利用接收天線的方向性，將2個(gè)方向性相同的單元天線在方位上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度（波束寬度）安放，如圖2所示，2個(gè)單元天線接收到的不同來(lái)波方向的強(qiáng)度是不同的，通過(guò)2個(gè)單元天線接收信號(hào)的差值來(lái)確定來(lái)波的方向，實(shí)現(xiàn)測(cè)角功能［7］。比幅法測(cè)角的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)單元天線的相位中心穩(wěn)定性要求不高，但測(cè)角精確不如比相法高。

圖2　天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of antenna system

工作在Ku波段的單元天線可選擇的形式有螺旋天線、圓錐喇叭天線、透鏡天線和角錐喇叭天線等［8］。模擬器天線系統(tǒng)的極化方式為垂直極化，要滿足接收機(jī)靈敏度和方位面（H面）上測(cè)角范圍和測(cè)角精度要求，必須解決天線系統(tǒng)H面波束寬度大和天線增益高之間的矛盾。采用螺旋天線、圓錐喇叭天線、透鏡天線等無(wú)法同時(shí)滿足增益高和方位波束寬度大的要求，最佳的選擇是采用角錐喇叭天線作為單元天線［9］。利用喇叭天線E面和H面波束寬度與口徑尺寸之間互不影響的特點(diǎn)，通過(guò)減小喇叭的H面口徑尺寸來(lái)增加H面波束寬度，滿足方位測(cè)角范圍±7°的要求。再通過(guò)增加E面口徑尺寸來(lái)增加天線的增益，從而解決H面波束寬度大和天線增益高之間的矛盾。但喇叭天線的相位中心模糊，采用比相法測(cè)角會(huì)由于單元天線的相位中心模糊造成測(cè)角誤差增大［10］。因此，雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)采用2個(gè)角錐喇叭天線組成的比幅測(cè)角系統(tǒng)。根據(jù)模擬器測(cè)角范圍指標(biāo)，天線系統(tǒng)的兩個(gè)單元天線安裝時(shí)在方位上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)14°的角度，如圖2所示。由和差器分別提取2個(gè)單元喇叭天線接收信號(hào)的“和”和“差”，“和”信號(hào)用于雷達(dá)模擬器接收系統(tǒng)靈敏度測(cè)量，“差”信號(hào)用于來(lái)波方向角度測(cè)量［11］。

由天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)角方式，確定角錐喇叭單元天線滿足以下技術(shù)參數(shù)，才能滿足雷達(dá)模擬器整機(jī)技術(shù)指標(biāo)：工作頻段為Ku波段，點(diǎn)頻；H面主瓣寬度為2q0.5=14°；天線增益G≥24dB；垂直極化。

2　天線系統(tǒng)測(cè)角精度分析

相對(duì)于比相測(cè)角，比幅測(cè)角系統(tǒng)的最大問(wèn)題就是測(cè)角精度低，下面分析圖2所示的比幅測(cè)角系統(tǒng)是否滿足測(cè)角精度要求。比幅測(cè)角原理如圖3所示［12］。

圖3　比幅測(cè)角原理圖Fig.3 Schematic of amplitude comparison angle measurement

假設(shè)2個(gè)方向特性一致的接收天線，接收到的信號(hào)幅度分別為U1和U2，則有幅度比［13］：

式（5）中：F（θ）為天線方向性函數(shù)；θC為天線與等信號(hào)線的夾角；θ為回波信號(hào)方向與等信號(hào)線方向夾角。

對(duì)式（5）求對(duì)數(shù)，將幅度比轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)關(guān)系［14］：

式（6）中，ΔR=20lg（K1/K2）為2個(gè)接收通道間的信號(hào)增益對(duì)數(shù)差，若K1=K2，則ΔR=0。

天線方向圖采用高斯函數(shù)近似［15］：

式（7）中：θ0.5為天線3dB波束寬度2θ0.5的一半，k=0.5ln2≈0.346 5。

于是有：

將式（8）代入式（6）可得

可見(jiàn)，到達(dá)角θ與信號(hào)幅度比R成正比。對(duì)具有高斯方向圖的天線，其系統(tǒng)誤差不隨方向角變化，即差波束方向圖的斜率（dB）在斜率角范圍內(nèi)是不變的。

當(dāng)天線波束傾角與天線波束寬度相同時(shí)，對(duì)于比幅體制測(cè)角系統(tǒng)其輸入輸出關(guān)系如下：

式（10）中：PA、PB分別為2個(gè)接收天線接收到的回波功率；。

影響測(cè)角精度的因素有：天線接收到的信噪比、功率的量化誤差、天線波束的寬度誤差等［16］。

將PA、PB表述成含信號(hào)和噪聲功率的表達(dá)式：

天線夾角θS=2θC，SNR是接收機(jī)信噪比，測(cè)角精度表達(dá)式為：

因此，

當(dāng)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后信噪比為10dB時(shí)，測(cè)角精度為：

對(duì)3dB波束寬度為14°的天線，其夾角θS為14°時(shí)，由信噪比引起的測(cè)角誤差為Δθ=0.35°。根據(jù)比幅測(cè)角原理可知，兩接收通道的幅度一致性對(duì)測(cè)角精度也有較大影響［17］。由式（9）可知，通道間的幅度一致性將會(huì)對(duì)最終測(cè)角誤差造成影響，且與測(cè)角誤差是線性關(guān)系。其引起的測(cè)角誤差為：

綜上，取10dB信噪比，信道失衡η為0.5dB，總的測(cè)角誤差為：

接收系統(tǒng)測(cè)角誤差小于0.5°，滿足模擬器技術(shù)指標(biāo)中測(cè)角精度優(yōu)于0.5°的要求。

3　角錐喇叭單元天線設(shè)計(jì)與仿真

由天線理論，角錐喇叭天線幾何尺寸與主要技術(shù)參數(shù)之間的近似估算關(guān)系為［18］：

式（17）～（20）中：θ0.5H是H面半波束寬度；λ0是入射波長(zhǎng)；DH是天線H面寬度；DE是E面寬度；G是天線增益；REopt是天線E面最佳長(zhǎng)度，RHopt是H面最佳長(zhǎng)度。

考慮天線系統(tǒng)在雷達(dá)模擬器上的安裝尺寸和技術(shù)參數(shù)，選擇角錐喇叭單元天線的尺寸分別為DH=85mm、DE=165mm，角錐頂點(diǎn)到邊緣的距離L=750mm，過(guò)渡波導(dǎo)長(zhǎng)度L0=30mm，波導(dǎo)接口處法蘭盤(pán)采用FBP140（長(zhǎng)a=15.8mm，寬b=7.9mm）。角錐喇叭天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4　角錐喇叭的參數(shù)示意圖Fig.4 Structure of pyramidal antenna

采用Ansoft公司的HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，角錐天線3D模型如圖5所示［19］。

圖5　角錐天線3D模型Fig.5 3D Structure of pyramidal antenna

設(shè)置點(diǎn)頻模式，仿真頻率為16 GHz，天線增益方向圖如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)表示目標(biāo)信號(hào)方向與等信號(hào)軸線方向夾角，縱坐標(biāo)表示天線增益。紅線（等信號(hào)軸線附近較平滑）和藍(lán)線分別表示天線在Phi=0°（H面）和Phi=90°（E面）時(shí)的增益［20］。

從圖6中可以讀出天線H面3dB波束寬度為14.76°，滿足天線H面主瓣寬度要求。最大增益達(dá)到25.56dB，大于24dB，滿足天線增益要求。

置掃頻模式，掃頻范圍為15～17 GHz，得到其輸入回波損耗S11隨頻率變化曲線如圖7所示，S11參數(shù)在頻點(diǎn)16 GHz處能達(dá)到-31.5dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6　角錐喇叭天線增益方向圖Fig.6 Structure of pyramidal horn antenna

圖7S11仿真結(jié)果Fig.7 Results ofS11simulation

4　結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)模擬器主要技術(shù)指標(biāo)選擇天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由雷達(dá)接收機(jī)靈敏度方程推算天線增益要求，為了解決方位波束寬度大和天線增益高之間的矛盾及相位中心模糊問(wèn)題，采用角錐喇叭天線組成比幅測(cè)角系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)角誤差分析和電磁仿真，證明天線系統(tǒng)的測(cè)角精度、增益系數(shù)、測(cè)角范圍和工作頻率等主要技術(shù)指標(biāo)滿足雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)要求。該天線系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、天線增益和測(cè)角精度高等特點(diǎn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Antenna System Design of a Radar Simulator

LI Shangsheng，LI Weijie，F(xiàn)U Zhequan，ZOU Hanfeng
（Department of Electronic and Information Engineering，NAAU，Yantai Shandong 264001，China）

In this paper，the antenna system designed for radar simulator was described.The system used horn antennas to constitute amplitude ratio angle measuring system，to solve the contradiction between azimuth beam width and antenna gain.It had a simple structure，ease of implementation，high antenna gain and high precision in angle measurement.By measuring angle error analysis and electromagnetic simulations，it was proved that main technical indicators such as gain coefficient，measuring angle range and angle measurement precision of antenna system met the design requirements of radar simulator，therefore，it had application value.

radar simulator；amplitude comparison angle measurement；horn antenna

TN955+.1

A

1673-1522（2016）05-0501-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.001

2016-05-30；

2016-07-14

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題（CEMEE2016G0201）

李尚生（1965-），男，教授，碩士。