吳鐵成，楊天楊，李志堅，向 博

(1.中國航天科工集團二院，北京 100854； 2．中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

·工程應(yīng)用·

X波段寬帶電子偵察線性陣列天線設(shè)計

吳鐵成1,2，楊天楊2，李志堅2，向 博2

(1.中國航天科工集團二院，北京 100854； 2．中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

介紹了X波段寬帶電子偵察線性陣列天線設(shè)計方法，首先介紹線性陣列波束合成，然后給出仿真與實測結(jié)果，隨后對結(jié)果進行分析，最后根據(jù)測試結(jié)果以及仿真結(jié)果得出結(jié)論。仿真結(jié)果顯示天線性能良好，通過測試數(shù)據(jù)可以得出16個通道的副瓣電平在-15dB左右，通過計算所得0°移相和實際移相基本相吻合，以實測數(shù)據(jù)畫出的天線波束圖滿足要求。

偵察；線性陣列；天線；有源通道

0 引言

相控陣?yán)走_是一種高技術(shù)雷達，它具有使天線波束作無慣性掃描和對雷達的時間、能量等資源進行自適應(yīng)管理的能力，可以充分發(fā)揮雷達的潛力。相控陣?yán)走_利用電子技術(shù)控制陣列天線各輻射單元的饋電相位來改變波束指向，是客觀需要以及科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，也被大量應(yīng)用在飛機和艦船上[1-2]。

電子偵察是一種通過截獲輻射源的電磁信號并進行處理與分析，以掌握身份、技術(shù)特征、地理位置等信息的特殊偵察手段。陣列天線單元一般采用平面印刷天線形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、剖面低、易共形等優(yōu)點，電子偵察在天線方面要求高增益、寬波束等，陣列天線可以很好地應(yīng)用于電子偵察領(lǐng)域[3]。

相控陣天線技術(shù)已開始大范圍地應(yīng)用于電子戰(zhàn)與導(dǎo)航領(lǐng)域?，F(xiàn)有電子偵察技術(shù)已可做到輻射源的精確定位，但電子干擾在天線波束指向范圍內(nèi)無法控制干擾覆蓋區(qū)域，很有可能對電子攻擊目標(biāo)附近區(qū)域內(nèi)己方的通信和其他電子設(shè)備造成一定的影響。傳統(tǒng)的單一功能的電子偵察裝備已不再適應(yīng)現(xiàn)代的作戰(zhàn)環(huán)境，綜合一體化的電子偵察系統(tǒng)更滿足需求。本文設(shè)計了X波段用于電子偵察的線性陣列天線，利用相控陣天線和接收機相綜合的方法，介紹了線性陣列波束合成、電掃描方向圖算法等，通過HFSS軟件對一維均勻線性陣列天線結(jié)構(gòu)仿真得出滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的天線單元間距以及天線的最佳方向，可以更好了解天線的關(guān)鍵參數(shù)。并且給出了仿真和實測誤差產(chǎn)生的原因以及改進措施。

1 線性陣列波束合成

相控陣?yán)走_的發(fā)射波束圖形如圖1所示。

圖1 相控陣?yán)走_的發(fā)射波束

電掃方向圖公式為：

(1)

陣列進行波束掃描時需要對每個陣元的相位和時間延遲進行調(diào)整。每個陣元的口徑分布展開為復(fù)電壓的形式為：

Am=amejΘm

(2)

當(dāng)滿足公式(3)時，陣因子在θ0位置具有最大值：

Θm=-(2π/λ)xmsinθ0

(3)

步進相位公式為：

Δφ=(dsinθ/λ)360°=(dsinθf/c)360°

(4)

式中，d表示天線單元間距，θ表示天線波束掃描角度，λ表示波長，c表示光速，f表示天線掃描頻率，Δφ表示步進相位。

相控陣?yán)走_天線是由許多輻射單元組成的，輻射單元可以是偶極子、開口波導(dǎo)、波導(dǎo)上的裂縫或者其他類型的天線，輻射單元都排列在一條直線上的稱為線性陣列， 本文設(shè)計的線性陣列天線一共有16個天線單元規(guī)則排列組成一維均勻線性陣列通過適當(dāng)激勵獲得預(yù)定輻射特性，小天線與電纜相連接接在天線架子上，本實驗中小天線采取水平極化方式。

線性陣列天線用到的是中間16個小天線單元，這里將射頻端口設(shè)計成插拔連接方式，采用一種小型穩(wěn)相射頻插拔器，這種射頻插拔器的特點是尺寸小、相位穩(wěn)定、接頭有一定的浮動量。

2 仿真與實測

通過HFSS軟件對線性陣列天線結(jié)構(gòu)進行仿真，線性陣列天線輸入回波損耗仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)仿真回波損耗截圖

回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)的對應(yīng)關(guān)系為：

RL=20lg((VSWR+1)/(VSWR-1))

(5)

當(dāng)RL=20dB，VSWR≈1.22時，仿真結(jié)果比較好，由圖2可以看出曲線上點的縱坐標(biāo)全部在-20dB以下[4]。

線性陣列天線增益仿真結(jié)果如圖3所示。5條曲線是天線單元間距分別為12.2、12.6、13、13.4、13.8mm時的增益曲線，對比可以發(fā)現(xiàn)：考慮天線線性陣列元間距和耦合系數(shù)以及隔離度大于15dB等因素，最終選擇天線單元間距13.4mm，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖3 天線結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果增益曲線

頻點為8、10、12GHz，φ=90°時天線結(jié)構(gòu)仿真0°、15°、30°、60°時波束掃描方向?qū)Ρ葓D如圖4～6所示。本文是X波段線性陣列天線設(shè)計，取X波段的3個頻點波束掃描方向?qū)Ρ葓D，天線測試時是-60°～60°掃描，取0°～60°時的4個角度波束掃描方向?qū)Ρ葓D。

圖4 8GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

圖5 10GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

圖6 12GHz天線結(jié)構(gòu)波束掃描方向圖

在微波暗室中測試天線，可以免受雜波干擾，提高被測設(shè)備的測試精度和效率。機箱有單獨的外加電源從下面4個端口供電。機箱中的板子是1×16的通道板，16個通道板用電纜與天線板相連接，通道板的正面是放大移相組件以及很多的小組件，放大移相組件主要功能是放大功能，此外，小組件為八D觸發(fā)器，特點是三態(tài)總線驅(qū)動輸出置數(shù)全并行存取緩沖控制輸入。通道板的反面是10個一分四功率分配器，起到功率分配的作用。實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 16個通道對應(yīng)的幅度以及相位值

由表1可以看出：16個通道的副瓣電平在-15dB左右，每個陣元都具有一個移相器，相位變化是頻率和掃描角度的函數(shù)，0°移相表示的是移相器之間相位相差0°，實際移相是通過移相器移相使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中測出的移相器相位之差為0°。

3 結(jié)果分析

16通道0°移相和實際移相數(shù)據(jù)對比圖如圖7所示?？梢缘贸觯?6個通道對應(yīng)的0°移相和實際移相幾乎吻合。根據(jù)表1實測數(shù)據(jù)和對比圖5，可以得出：實測數(shù)據(jù)在0°時天線波束仿真結(jié)果和實測結(jié)果圖形基本相吻合，同理在15°、30°時同樣成立，設(shè)計的線性陣列天線性能良好。

圖7 0°移相和實際移相對比圖

仿真和實測誤差產(chǎn)生的原因是：在線性陣列天線中，為了使每個陣元發(fā)射信號的功率在空間進行合成，必須保證每個陣元輸出信號相位的相關(guān)性，空間功率合成要求各陣元相位穩(wěn)定、一致、可控。但在實際系統(tǒng)中，由于每個陣元性能差異、電路設(shè)計和加工制造差異、設(shè)備工作頻率和周圍溫度以及環(huán)境的變化等各種因素,每個陣元原始相位一致性很難控制。線性陣列天線每個陣元之間存在相位特性的不一致性，對最終天線的波束匯聚位置等指標(biāo)會產(chǎn)生很大的影響。改進的措施是：對線性陣列天線每個陣元加以校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文對3個頻點、4個掃描角度畫出不同頻點不同掃描角度對應(yīng)的波束圖，利用實測數(shù)據(jù)對10GHz線性陣列天線進行了研究，對天線結(jié)構(gòu)進行仿真、副瓣電平測試以及將0°移相和實際移相值畫出曲線圖對比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)幾乎相吻合。通過實測數(shù)據(jù)畫出3個掃描角度波束對比圖，和仿真結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)該天線性能在10GHz表現(xiàn)良好，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。同理，可以通過同樣的實測方法驗證在X波段頻段的其他頻點，可見本文提出的在X波段用于電子偵察的線性陣列天線性能良好。該設(shè)計和分析方法可以為線性陣列天線在電子偵察的應(yīng)用提供參考。■

[1] 凌偉.X波段T/R組件關(guān)鍵部件研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[2] 蔡慶宇,張伯彥,曲洪權(quán).相控陣?yán)走_數(shù)據(jù)處理教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011:288.

[3] 張蓓蓓.一體化電子偵察系統(tǒng)中分布數(shù)據(jù)通信平臺的研究與實現(xiàn)[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2015.

[4] Pozar DM.微波工程[M].張肇儀,等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社,2006:204.

The design of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance

Wu Tiecheng1,2, Yang Tianyang2, Li Zhijian2, Xiang Bo2

(1.The Second Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation, Beijing 100854,China; 2.No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

The design way of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance is introduced. The linear array beamforming is firstly introduced. Besides, the simulation result and test result are given, and then the result is analyzed. The conclusion is made in accordance with test result and simulation result finally. Simulation results show that the property of antenna is favorable, the minor level of sixteen channels is approximately -15dB according to test result, the zero degree dephasing is almost identical to realistic value, and a figure about antenna beam meets the requirements.

reconnaissance; linear array; antenna; active channel

2017-02-25；2017-04-01修回。

吳鐵成(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子對抗。

TN82

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