向海生,楊宇宸,盧曉鵬,萬笑梅,余 峰,劉 浩,莫 驪,張 琦

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

基于羅特曼透鏡的寬帶多波束天線系統(tǒng)

向海生1,2,楊宇宸1,盧曉鵬1,2,萬笑梅1,余 峰1,劉 浩1,莫 驪1,張 琦1

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

寬帶多波束天線系統(tǒng)廣泛應用于電子偵察領域。為了實現(xiàn)寬帶、寬角掃描,波束形成網絡需采用實時延時單元。針對這一需求,介紹了一個由寬帶天線陣列、射頻前端和羅特曼透鏡等組成的寬帶多波束天線系統(tǒng),詳細描述了系統(tǒng)的組成及工作原理、單元設計、副瓣電平仿真、校正和測試。測試結果表明,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多波束的小角度掃描,減小掃描波束的靈敏度損失;在8～12 GHz頻率范圍、±27°方位覆蓋范圍內,多波束的峰值副瓣電平達到-20 dB。應用結果表明該系統(tǒng)具有較強的空域抗干擾能力。

羅特曼透鏡;寬帶;多波束;天線

0 引言

在復雜電磁環(huán)境中,電子偵察系統(tǒng)通常需要同時偵收多個方向的寬帶輻射源信號。要實現(xiàn)對多個方向的寬帶信號同時接收、測量,就必須采用寬帶多波束天線系統(tǒng)。寬帶多波束形成方法包括模擬波束形成、數(shù)字波束形成和光波束形成。3種方法各有優(yōu)缺點,模擬波束形成易于工程實現(xiàn)、性能適中、靈活性稍差;數(shù)字波束形成靈活性高,但存在定時、抖動和功耗等問題,且受限于元器件水平,瞬時信號處理帶寬在1 GHz以下;光波束形成能實現(xiàn)更大的帶寬,但動態(tài)范圍較小[1]。因此,對于瞬時信號帶寬達到4 GHz的寬帶多波束天線系統(tǒng),模擬波束形成是當前工程應用的一個較好選擇。

羅特曼透鏡是一種低剖面、輕重量、小體積的實時延時網絡,能夠在寬角掃描條件下實現(xiàn)寬帶信號合成?；诹_特曼透鏡的多波束天線系統(tǒng)具有全方位截獲概率大、測向精度高、動態(tài)范圍大、靈敏度高的特點[2],而且設備量適中,因此,非常適合在體積、重量和功耗要求較高的機載平臺上使用。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)采用一維相控陣體制,俯仰向直接合成,方位向同時多波束。系統(tǒng)由寬帶天線陣列、射頻前端和羅特曼透鏡等組成,其原理框圖如圖1所示。其中,寬帶天線陣列由16個列線源和1個校正網絡組成,寬帶天線陣列、16個射頻前端和1個陣面監(jiān)控集成為有源天線陣面;波束形成網絡是16單元輸入、16波束輸出的羅特曼透鏡。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 單元設計

天線單元采用微帶天線,單元形式為偶極子,其仿真模型如圖2所示。該單元適于采用印刷電路技術大批量生產,加工精度高;同時,饋電方式靈活,易于與有源器件和電路一體化集成。

圖2 天線單元仿真模型

按工程實現(xiàn)形式,羅特曼透鏡包括平行板透鏡[3]、微帶/帶狀線透鏡[4-6]和基板集成波導透鏡[7]等。文獻[3]給出了最早的透鏡設計方程;文獻[8]對透鏡設計方程進行改進優(yōu)化;文獻[9]中描述的微帶透鏡的設計參數(shù)如圖3所示,曲線Σ1、Σ2分別排列波束端口和陣列端口。

文獻[9]給出的微帶透鏡設計方程如式(1)～(3)所示,其基本原理是等光程原理,即任意由F1點發(fā)出的電磁波經過傳播的光程是相等的。

圖3 微帶透鏡的設計參數(shù)

式中,εr和εeff分別為基板的相對介電常數(shù)和微帶線的等效介電常數(shù)。

以微帶或帶狀線形式實現(xiàn)的羅特曼透鏡,電路簡單,制造工藝比較容易,成本低,因而得到了越來越廣泛的應用[10]。本文設計的透鏡是微帶線形式的,經仿真后的微帶版圖如圖4所示,圖中左側為波束端口,右側為單元端口。

圖4 微帶透鏡版圖

射頻前端主要完成列合成信號的限幅放大、濾波、移相和衰減等功能,其設計需要對增益、噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍和幅相一致性等指標進行綜合考慮和權衡。本設計中的射頻前端采用微波單片集成電路和微帶板實現(xiàn),其框圖如圖5所示。

圖5 射頻前端設計

根據(jù)系統(tǒng)需求,射頻前端的主要設計指標如下:

抗燒毀能力:1 W(連續(xù)波,持續(xù)5 min)

增益:43±1 dB

動態(tài)范圍:≥55 d B(擴展動態(tài)為30 d B)

噪聲系數(shù):≤3 d B

幅度一致性:≤0.3 d B(RMS值)

相位一致性:≤3°(RMS值)

3 副瓣電平仿真

在系統(tǒng)設計過程中,針對系統(tǒng)的關鍵指標——副瓣電平進行仿真,對系統(tǒng)的幅相誤差分解并約束模塊的設計指標。仿真條件如下:在±27°掃描范圍內,峰值副瓣電平要求不大于-20 d B;單元方向圖假設為余弦函數(shù);陣列口徑使用30 dB泰勒加權,且權值量化為0.5 d B的整數(shù)倍。對系統(tǒng)的副瓣電平指標進行200次仿真,中心頻點10 GHz的法線波束和27°掃描波束仿真結果如圖6所示,法線波束的峰值副瓣電平為-21.3 dB,27°掃描波束的峰值副瓣電平為-20.1 d B。

圖6 中心頻點10 GHz的副瓣仿真結果

根據(jù)仿真結果,對系統(tǒng)的各組成單元幅相誤差(最大值)分解如下:列線源的幅相誤差1 dB、10°,射頻前端的幅相誤差1.5 d B、15°,多波束網絡的幅相誤差1.5 d B、10°。

4 校正

寬帶有源多波束系統(tǒng)裝配完成后,為了去除系統(tǒng)的固有幅相誤差,需要對系統(tǒng)進行校正。該系統(tǒng)運用FFT反演算法[11]進行校正。使用微波暗室平面近場測試系統(tǒng)的探頭發(fā)射信號、被測系統(tǒng)接收信號,采集被測系統(tǒng)中間波束的近場幅度、相位值,計算天線系統(tǒng)口徑的幅度和相位值。進而得到系統(tǒng)中各單元的幅度和相位補償碼值。

以中心頻率10 GHz、中間波束為基準進行系統(tǒng)校正和補償,校正后測量的系統(tǒng)口徑幅度和相位分布與理想的幅度和相位分布對比如圖7所示,其中理想的幅度分布為30 dB的泰勒加權。

圖7 系統(tǒng)口徑的幅相分布

5 測試結果

系統(tǒng)完成設計、裝配和調試后,進行了相應的測試,以下給出系統(tǒng)應用的10個波束(波束4～

13)測試結果。

1)多波束方向圖

以中心頻點10 GHz為例,4～13波束的方向圖如圖8所示。為了減小波束掃描的靈敏度損失,系統(tǒng)應用時,調整射頻前端中的非色散移相器可進行小角度掃描。

圖8 多波束方向圖

系統(tǒng)初始設計輸出的4～13波束覆蓋±27°空域,而經過小角度掃描(3°)調整后,4～13波束覆蓋-24°～+30°空域。

2)副瓣電平

在微波暗室中,進行天線系統(tǒng)的方向圖測試,處理得到多頻點、4～13波束的副瓣電平。表1為天線系統(tǒng)的副瓣電平測試結果,測試頻率步進為1 GHz。

在該系統(tǒng)應用中,8～1 2 G H z、±2 7°空域覆蓋范圍內,多波束副瓣電平能達到-2 0 d B。

表1 副瓣電平測試結果 d B

6 結束語

本文針對一個基于羅特曼透鏡的寬帶多波束天線系統(tǒng)進行論述,介紹了系統(tǒng)組成、羅特曼透鏡的實現(xiàn)原理和微帶透鏡方程,分析了射頻前端的設計思路,通過副瓣電平仿真,對列線源、射頻前端和羅特曼透鏡的幅相誤差進行分解。從系統(tǒng)校正后的測試結果看,系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力和靈活的波束調度能力,具有一定的應用前景。

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Wideband Multiple-Beams Antenna System Based on Rotman Lens

XIANG Haisheng1,2,YANG Yuchen1,LU Xiaopeng1,2,WAN Xiaomei1,YU Feng1,LIU Hao1,MO Li1,ZHANG Qi1
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

Wideband multiple-beams antenna system has been widely used in electronic reconnaissance domain.In order to achieve wideband and wide-angle scanning,beamforming network should use true time delay device.In view of this requirement,a wideband multiple-beams antenna system is proposed,which includes wideband antenna array,RF front-end and Rotman lens,etc.The composition,element design,sidelobe simulation,calibration and testing of system are described in detail.The test results show that the system can achieve small angle scan of multiple-beams,and reduce the sensitivity loss of scan beams.The maximum sidelobes of multiple-beams are less than-20 dBin the range of 8～12 GHz and±27°scan angle.The application results show that the system has quite strong ability of anti-jamming in space domain.

Rotman lens;wideband;multiple-beams;antenna

TN974;TN82

A

1672-2337(2017)01-0081-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.014

2016-06-29;

2016-10-08

向海生男,1982年出生于河南潢川,博士,高級工程師,主要從事微波系統(tǒng)及寬帶數(shù)字接收設計工作。E-mail:xhshhy@163.com