高 坤 宗 耀 張 軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)日新月異的發(fā)展，機(jī)械掃描雷達(dá)由于掃描速度慢、反應(yīng)時(shí)間長而不再能滿足現(xiàn)在很多應(yīng)用場(chǎng)景的要求，電掃雷達(dá)就是在這樣的前提下應(yīng)運(yùn)而生的。相頻掃雷達(dá)是電掃雷達(dá)的一種，由于其波束指向可控性更強(qiáng)、成本更低、掃描更加快速、反應(yīng)更靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到多方面領(lǐng)域[1-6]。但普通相頻掃天線陣也有頻掃時(shí)主波束掃描角度小等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問題，本文通過對(duì)普通直波導(dǎo)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型波導(dǎo)慢波線窄邊縫隙線陣，大大增加了波導(dǎo)在固定頻帶內(nèi)的頻掃范圍，結(jié)合該線陣設(shè)計(jì)了某波段低成本寬角相頻掃陣列天線。該陣列在10%的帶寬內(nèi)，具有方位相掃±45°、俯仰頻掃大于20°的掃描能力。通過理論仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可以驗(yàn)證，該低成本寬角相頻掃陣列具備可實(shí)現(xiàn)性，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。改進(jìn)后的波導(dǎo)縫隙陣為進(jìn)一步提升雷達(dá)天線的空域覆蓋能力奠定基礎(chǔ)。

1 線陣設(shè)計(jì)原理

相頻掃雷達(dá)前端陣列由天線陣面、T/R組件、單脈沖網(wǎng)絡(luò)等組成，要求實(shí)現(xiàn)大角度的方位相掃，俯仰頻掃的功能。相掃維需實(shí)現(xiàn)±45°的相掃范圍，因此考慮波導(dǎo)線陣沿波導(dǎo)窄邊排列組陣，實(shí)現(xiàn)大角度相掃功能，在波導(dǎo)窄邊開縫，實(shí)現(xiàn)頻掃功能。

如圖1所示，形式A是普通直波導(dǎo)，在波導(dǎo)窄邊開縫，為了不出柵板，應(yīng)適當(dāng)選取縫隙間距。對(duì)Port1端口進(jìn)行饋電，大部分能量通過縫隙輻射到空間中，Port2端口接吸收負(fù)載吸收少量能量，該行波陣在沿著波導(dǎo)方向可實(shí)現(xiàn)波束隨頻率的掃描。結(jié)合理論分析可知，標(biāo)準(zhǔn)直波導(dǎo)在10%的工作帶寬內(nèi)僅能實(shí)現(xiàn)10°左右的波束頻掃范圍，采用壓縮寬邊尺寸后的直波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)14°左右的波束頻掃范圍，而這個(gè)值也基本是普通直波導(dǎo)的極限值。為了進(jìn)一步增加固定帶寬內(nèi)的頻掃范圍，增大在使用頻率內(nèi)雷達(dá)天線的波束覆蓋范圍，因此需要對(duì)普通直波導(dǎo)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用慢波線形式的拐彎波導(dǎo)，增加相鄰輻射縫隙之間電磁波傳輸路徑，從而大大提高頻掃范圍。如圖1形式B所示，改進(jìn)后的波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)大于20°的頻掃范圍，大大提升了波導(dǎo)掃描能力，為進(jìn)一步提升雷達(dá)天線的空域覆蓋能力奠定基礎(chǔ)。

圖1 波導(dǎo)頻掃原理圖

2 設(shè)計(jì)與分析

采用改進(jìn)后的慢波線形式波導(dǎo)，建立如圖2所示的3×5陣列模型進(jìn)行提參。

圖2 3×5陣列提參模型

通過電磁仿真軟件HFSS，仿真分析縫隙的切割角度、切入深度隨輻射電導(dǎo)的變化關(guān)系。并將擬合曲線作于圖3中。

圖3 電導(dǎo)與切角和切深的擬合曲線

設(shè)計(jì)俯仰維電流分布為-25dB的泰勒加權(quán)，線陣輻射縫隙30個(gè)，電流分布如圖4(a)所示。根據(jù)電流分布可以得到30個(gè)縫隙的電導(dǎo)分布，如圖4(b)所示。

圖4 線陣口徑分布

根據(jù)圖3電導(dǎo)-切角、電導(dǎo)-切深的擬合曲線得到30個(gè)縫隙的切角與切深參數(shù)。并設(shè)計(jì)單根線陣如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的波導(dǎo)縫隙線陣

3 陣列的設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試

3.1 組陣與仿真

某波段低成本相頻掃雷達(dá)前端由天線輻射陣面、12個(gè)T/R組件、一個(gè)單脈沖功分網(wǎng)絡(luò)和一根校準(zhǔn)檢測(cè)波導(dǎo)構(gòu)成。如圖6、圖7所示。天線的中心工作頻率為f0，帶寬為10%。天線陣面采用波導(dǎo)縫隙陣列形式，由48(列)×30(行)共1440個(gè)天線輻射單元組成，每一根波導(dǎo)上有縫隙30個(gè)，波導(dǎo)縫隙陣饋電口連接12個(gè)T/R組件，并由單脈沖功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)T/R組件進(jìn)行饋電。雷達(dá)前端示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 陣面背視圖

圖7 陣面正視圖

經(jīng)過多次優(yōu)化，仿真得到陣中線陣的駐波如圖8所示?？梢钥闯?，在10%的帶寬內(nèi)駐波VSWR<1.6。f3頻點(diǎn)(在雷達(dá)的實(shí)際工作中不使用該頻點(diǎn))對(duì)應(yīng)的指向由于靠近天線零指向，由頻掃天線理論可知，零指向附近對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)上駐波比較大，這是行波陣固有的特征，其駐波為3.7。

圖8 改進(jìn)波導(dǎo)縫隙陣陣駐波曲線

從圖9中可以看出，隨著頻率的變化，波束的掃描范圍也隨之改變，f1頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的俯仰波束指向?yàn)?23.8°，f2頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的俯仰波束指向?yàn)?2.2°，能滿足俯仰波束覆蓋≥20°的指標(biāo)要求，仿真得到中心頻率f0對(duì)應(yīng)的俯仰維波束寬度為3.4°。仿真得到帶內(nèi)大部分頻帶的方向圖副瓣電平均小于-20dB，靠近俯仰零指向的波束副瓣有所抬高，是由于行波陣在零指向附近駐波較大，能量在波導(dǎo)中反射疊加后偏離理論設(shè)計(jì)，這是行波陣固有的特征。

圖9 俯仰維帶內(nèi)歸一化頻掃方向圖

雷達(dá)天線在方位維需實(shí)現(xiàn)±45°的相掃范圍，需要關(guān)注波導(dǎo)線陣H面的方向圖特性。對(duì)陣中單根波導(dǎo)饋電，得到f0頻率的H面方向圖如10所示。

圖10 波導(dǎo)線陣H面方向圖

H面方向圖的3dB波束寬度約為88°，同樣觀測(cè)f1-f2整個(gè)頻帶內(nèi)的H面方向圖，帶內(nèi)方向圖波束寬度均大于80°，波束平滑無凹陷，因此在10%的頻帶內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)方位維±45°的相掃功能。下面給出f0頻點(diǎn)掃描±45°時(shí)的理論和差方向圖曲線如圖11所示。

圖11 方位面掃描方向圖

方位面口徑分布選擇副瓣電平為-28dB的泰勒分布，單元間距為d，單元數(shù)為48，理論計(jì)算中心頻率點(diǎn)上方位面第一副瓣電平-28.27dB，差波束零值深度-50dB。

3.2 測(cè)試結(jié)果

通過在近場(chǎng)系統(tǒng)測(cè)試初相、進(jìn)而配相，使得雷達(dá)前端系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求保證其技術(shù)性能。將雷達(dá)天線架設(shè)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試?yán)走_(dá)天線的俯仰維頻掃方向圖如圖12所示。

測(cè)試?yán)走_(dá)天線f0頻點(diǎn)(中頻)方位維相掃的和差波束如圖13所示。

圖13 相掃±45°測(cè)試和差方向圖

從圖13的測(cè)試結(jié)果可以看出，雷達(dá)天線在掃描±45°時(shí)，和差波束形狀良好，增益沒有明顯下降。和波束副瓣電平、差波束零深、指向精度等指標(biāo)均正常。測(cè)試結(jié)果和理論仿真結(jié)果一致性較好。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)普通直波導(dǎo)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型波導(dǎo)窄邊縫隙線陣，大大增加了波導(dǎo)在固定頻帶內(nèi)的頻掃范圍，結(jié)合該線陣設(shè)計(jì)了某波段低成本寬角相頻掃陣列天線。該陣列在10%的帶寬內(nèi)，具有方位相掃±45°、俯仰頻掃大于20°的掃描能力。通過理論仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可以驗(yàn)證，該低成本寬角相頻掃陣列具備可實(shí)現(xiàn)性，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。改進(jìn)后的波導(dǎo)縫隙陣為進(jìn)一步提升雷達(dá)天線的空域覆蓋能力奠定基礎(chǔ)。