陳良圣

（安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

相比于偶極子平面陣列天線等天線形式，波導(dǎo)窄邊裂縫陣列天線具有功率容量大﹑輻射效率高﹑寬垂直波束﹑窄水平波束和易于實(shí)現(xiàn)低副瓣和賦形波束等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)中。特別對于岸基監(jiān)視雷達(dá)和船用導(dǎo)航雷達(dá)，要求在顛簸的情況下實(shí)現(xiàn)垂直面的覆蓋，同時在水平面滿足高精度定位和抗干擾能力[1]。此時，波導(dǎo)窄邊裂縫陣列天線具有明顯的優(yōu)勢。

對雷達(dá)來說，應(yīng)付干擾源和ARM的有效方法一般有兩種：一是盡量降低雷達(dá)天線的副瓣電平；二是寬頻帶內(nèi)的頻率捷變技術(shù)和可變重復(fù)周期技術(shù)[2]。如何實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)窄邊裂縫陣列天線的寬頻帶和極低副瓣，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但受算法和加工誤差等因素影響，實(shí)現(xiàn)超低副瓣仍存在諸多困難[3-4]。

綜上所述，本文在對波導(dǎo)窄邊裂縫陣列天線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了一款L波段超低副瓣波導(dǎo)裂縫陣列天線。實(shí)測結(jié)果表明，該天線副瓣電平遠(yuǎn)低于-42 dB，優(yōu)于現(xiàn)有許多設(shè)計(jì)指標(biāo)，且具有增益高﹑頻帶寬和水平波束窄等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足岸基監(jiān)視和船用導(dǎo)航等雷達(dá)的設(shè)計(jì)需求。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 縫間距、線源間距選擇

在波導(dǎo)窄邊上開傾斜裂縫，破壞了波導(dǎo)內(nèi)的行波狀態(tài)，使開縫處產(chǎn)生反射波，而各裂縫反射波在波導(dǎo)輸入端形成總反射?？p隙間距dx決定了相鄰縫隙之間的相位差，因而將決定天線的輸入駐波比。一般根據(jù)式（1）選擇縫隙間距：

波導(dǎo)裂縫線陣間的距離要遵守在實(shí)空間中不出現(xiàn)柵瓣邊緣的準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則常用公式表示如下：

式中：λmin是頻段內(nèi)的最短工作波長，θmax是波束相對于陣面法向的最大掃描角，Δ=1/NP，NP是裂縫線源數(shù)[5]。

1.2 縫隙寬度選擇

縫隙寬度由線陣的耐功率要求和工作頻帶寬度確定。裂縫越寬，線陣耐功率能力越好，工作頻帶也越寬。一般縫隙寬度近似滿足以下不等式：

1.3 陣中縫隙有源導(dǎo)納的提取

陣中波導(dǎo)裂縫導(dǎo)納與裂縫幾何參數(shù)的關(guān)系，是設(shè)計(jì)波導(dǎo)裂縫線陣的主要依據(jù)，通常分為理論計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)測試法。因裂縫間內(nèi)部互耦和外部互耦對該縫的諧振頻率﹑諧振電導(dǎo)和電納的影響，導(dǎo)致陣中裂縫諧振導(dǎo)納的理論分析具有不準(zhǔn)確性和近似性。實(shí)驗(yàn)測試法是精確確定陣中裂縫諧振導(dǎo)納十分有效的方法，但由于低副瓣波導(dǎo)裂縫線陣中的縫數(shù)很多，要精確測試所有傾角的諧振電導(dǎo)，成本高﹑工作量巨大，且當(dāng)傾角很小時由于被測量小而測不準(zhǔn)。因而，本文采用實(shí)測與理論分析相結(jié)合的方法，在一定規(guī)模小陣中測量多個縫隙的陣中平均導(dǎo)納值。測得了少數(shù)幾種傾角裂縫的平均導(dǎo)納值后，再對理論分析模型進(jìn)行適當(dāng)修正，從而確定整個線陣中所有裂縫的幾何參數(shù)，完成低副瓣裂縫線陣的設(shè)計(jì)。

對于有N個傾角﹑寬度﹑長度間距均相等的開縫波導(dǎo)，可將其等效為雙線上并聯(lián)N個歸一化導(dǎo)納的二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)窄壁縫隙陣及其等效電路

根據(jù)傳輸線理論，有：

當(dāng)縫數(shù)＞20時，可忽略邊緣效應(yīng)，被測縫隙波導(dǎo)的總傳輸矩陣為：

式中：

式中，y是縫隙的歸一化導(dǎo)納，g是電導(dǎo)，b是電納，β是矩形波導(dǎo)中主模的傳輸常數(shù)，λg是主模的導(dǎo)波長，可以通過軟件仿真求得。

令總的傳輸矩陣[T]為：

而散射矩陣參量與傳輸矩陣參量之間的關(guān)系為：

測得縫隙波導(dǎo)的復(fù)數(shù)散射參數(shù)S21，將式（3）～式（8）代入式（2），再利用式（9）～式（11）就可以得到關(guān)于縫隙的電導(dǎo)和電納的一個聯(lián)立方程組，從而可解得陣中縫隙的電導(dǎo)和電納值。由于測試是在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的，故得到的是陣中縫隙的電導(dǎo)和電納隨頻率的變化關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算，得到幾組不同角度的諧振電導(dǎo)與諧振長度。由這些數(shù)據(jù)可擬合兩條曲線：縫電導(dǎo)隨傾角的擬合曲線g(θ)和縫深隨傾角的擬合曲線l(θ)。通過曲線擬合，得到任一電導(dǎo)對應(yīng)的縫的傾角，每一傾角對應(yīng)一個縫深。

2 天線設(shè)計(jì)

雷達(dá)工作頻段為L波段?？紤]到該雷達(dá)的低副瓣要求，采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ14，口徑為165.1 mm×82.55 mm。

陣面組成示意圖如圖2所示，共由30根行線源組成。根據(jù)陣面增益要求，線源間距定為dy=135 mm，俯仰口徑Ly=135 mm×30=4 050 mm；綜合分析取縫寬w=15 mm，縫間距dx=128 mm?？紤]波束寬度指標(biāo)要求，每條行饋上開72個縫隙，水平方向有效口徑Lx=128 mm×72=9 216 mm。為了抑制交叉極化的影響，設(shè)計(jì)時采用較小的裂縫傾角分布，且相鄰行線源之間的裂縫倒置安放。由于本天線系統(tǒng)頻帶較寬，且水平電口徑較小，設(shè)計(jì)時需折衷考慮帶寬拓展與交叉極化抑制的矛盾。

圖2 陣面組成

2.1 縫隙導(dǎo)納測試

選用五根等長開有72個裂縫的矩形波導(dǎo)組成試驗(yàn)小陣，所有裂縫的寬度﹑傾角及縫間距均相等。選擇小角度4°﹑7°﹑10°和大角度15°﹑19°﹑23°六種傾角的裂縫進(jìn)行陣中裂縫導(dǎo)納測試，測得的S參數(shù)計(jì)算的不同傾角小陣的導(dǎo)納隨頻率的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 各傾角縫的導(dǎo)納曲線

2.2 確定口徑場分布及電導(dǎo)分布

為了實(shí)現(xiàn)方位面超低副瓣電平，考慮到裂縫線源加工中的隨機(jī)誤差﹑裂縫間互耦影響以及線源設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)剩余誤差等因素，方位面擬采用-50 dB泰勒口徑分布。由此得到的口徑激勵分布曲線如圖4所示。

圖4 方位面理想口徑激勵分布曲線

得到的泰勒口徑電壓分布設(shè)為Am，矩形波導(dǎo)衰減常數(shù)α=0.202 8 Np/m，天線輻射效率η取97%，則第一個縫（靠近激勵端口）的電導(dǎo)為：

其他縫的電導(dǎo)值可按式（16）遞推：

最終得到輻射效率為97%﹑-50 dB副瓣的泰勒口徑分布的電導(dǎo)分布，如圖5所示。

圖5 裂縫線源各縫隙電導(dǎo)分布

2.3 確定線陣的傾角分布和對應(yīng)的諧振長度

由天線陣的電導(dǎo)分布，可由擬合的電導(dǎo)隨傾角﹑縫深隨傾角的變化曲線得到天線陣各縫單元的傾角和對應(yīng)的縫深。仿真得到的縫隙角度與諧振電導(dǎo)﹑諧振切割深度的關(guān)系，分別如圖6﹑圖7所示。

根據(jù)上述方法，經(jīng)過多次修調(diào)及仿真計(jì)算，同時考慮天線罩引入對諧 振電導(dǎo)的影響，可最終確定整個裂縫線源的縫隙參數(shù)[6]。

圖6 縫隙角度與諧振電導(dǎo)的關(guān)系曲線

圖7 縫隙角度與諧振切割深度的關(guān)系曲線

圖8 八元陣三頻點(diǎn)仿真波瓣圖

圖9 八元陣S21曲線

2.4 天線仿真與實(shí)測

天線的八元陣仿真方向圖如圖8所示。從圖8結(jié)果可以看出，工作頻帶范圍內(nèi)（帶寬200 MHz），天線副瓣電平均小于-42 dB，3 dB波束寬度為2°（中頻），遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求。圖9給出了天線的S21曲線仿真結(jié)果。

實(shí)際制作八元試驗(yàn)陣，并在微波暗室內(nèi)采用近場測試法進(jìn)行波瓣測試，排除誤差影響，最終的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實(shí)物測試如圖10所示。

圖10 八元陣實(shí)測圖

圖11是波導(dǎo)裂縫天線陣的實(shí)測方向圖。從測試結(jié)果看，主瓣左側(cè)副瓣電平均低于-42 dB以下，主瓣右邊出現(xiàn)兩個電平較大的副瓣。理論分析知道，主瓣右側(cè)第一個大副瓣與主瓣位置對稱，是由終端反射波產(chǎn)生的鏡像副瓣，合理調(diào)整終端吸收負(fù)載即可抑制；主瓣右側(cè)第二個大副瓣是由于交叉極化產(chǎn)生的，組大陣即可得到很好的抑制效果。忽略這兩個因素的影響，副瓣電平基本滿足指標(biāo)要求。

3 結(jié) 語

本文通過對低副瓣波導(dǎo)陣列天線設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的分析，采用實(shí)測與理論分析相結(jié)合的方法，極大地提高了天線設(shè)計(jì)精度，有效降低了天線的副瓣，設(shè)計(jì)了一款L波段寬帶超低副瓣波導(dǎo)縫隙陣列天線。實(shí)測結(jié)果表明，該天線具有工作頻帶寬﹑增益高和極低的副瓣電平，滿足于各種監(jiān)視和導(dǎo)航雷達(dá)的設(shè)計(jì)要求，具有很高的實(shí)用價值。

圖11 八元陣三頻點(diǎn)實(shí)測波瓣圖

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