陳 爽，李彥文

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

自20世紀(jì)30年代以來，連續(xù)波雷達(dá)一直是個(gè)熱門話題。在近程雷達(dá)系統(tǒng)中，連續(xù)波雷達(dá)比脈沖波雷達(dá)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、發(fā)射功率較小，因此具有抗偵察與抗干擾的能力[1]。然而雷達(dá)的收發(fā)隔離問題是雷達(dá)工程實(shí)踐中的一個(gè)重要問題[24]。大功率連續(xù)波雷達(dá)，同時(shí)發(fā)同時(shí)收，不解決收發(fā)隔離問題，也就無法繼續(xù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。收發(fā)隔離不好，輕則降低接收機(jī)的實(shí)際靈敏度，減小作用距離；重則導(dǎo)致接收機(jī)飽和，無法跟蹤目標(biāo)。因此，本文在設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)波雷達(dá)的基礎(chǔ)上，對(duì)收發(fā)隔離進(jìn)行了探討。

1 雷達(dá)收發(fā)隔離分析

解決收發(fā)隔離的方法一般有[2]頻率隔離、時(shí)間隔離、極化隔離和空間隔離等等。其中的頻率隔離如大功率的通信機(jī)和衛(wèi)星通信站，它們的收發(fā)采用不同的頻率，便可圓滿地解決收發(fā)隔離問題；但這不適用于連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)，因?yàn)槎嗥绽疹l率只有幾十千赫茲到幾兆赫茲，收發(fā)信號(hào)頻率間隔太小。

對(duì)時(shí)間隔離來說，脈沖雷達(dá)就是一個(gè)典型的例子，脈沖雷達(dá)從工作原理上就要求發(fā)射和接收在不同的時(shí)間里進(jìn)行，它所要解決的問題只是在發(fā)射的極短時(shí)間里不要泄漏過多的功率，以免燒毀接收機(jī)或妨害對(duì)近距離目標(biāo)信號(hào)的接收；在實(shí)際應(yīng)用中由于天線存在交叉極化，極化隔離方法效果也不是很明顯。

增大收發(fā)天線間距可以明顯提高收發(fā)隔離，間距增大一倍，隔離度可提高6 dB。但是增大收發(fā)天線間的距離將受到空間位置的限制，例如飛機(jī)、軍艦上的雷達(dá)，兩天線容許的距離只不過十幾米或幾十米。天線間加吸收性隔離板對(duì)側(cè)向輻射進(jìn)行吸收，這種隔離措施使2個(gè)天線間的電磁波不能直視傳輸，因而隔離效果十分顯著。

2 仿真與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)天線陣面，由發(fā)射陣面、接收陣面、隔離帶等組成，工作頻率Ku波段，示意如圖1所示。

圖1 天線布局示意圖

其中，發(fā)射天線陣列天線規(guī)模如下：共4行×52列。發(fā)射天線陣方位±45°相掃。接收天線陣列天線規(guī)模如下：共8行×52列。接收天線陣方位±45°相掃，收發(fā)隔離度≥75 d B。

2.1 天線陣元

選用印刷陣子天線作為陣元。其模型如圖2所示。

圖2 陣元模型

仿真的單元駐波及方向圖如圖3、圖4所示。

圖3 陣元駐波

從圖3中可以看出，該陣元形式方向圖對(duì)稱，陣元的駐波1.14，頻率特性在帶寬內(nèi)的一致性穩(wěn)定，增益達(dá)到6.05 dB。選用本形式陣元作為天線陣的陣元。

圖4 陣元仿真E、H面方向圖

2.2 天線線陣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

2.2.1 5×5陣列

為驗(yàn)證單元在陣中的性能，建立一個(gè)5×5的陣列，并觀察陣中單元的特性。建模如圖5所示，陣中單元駐波如圖6所示，方向圖及與周圍陣元的互耦度如圖7、圖8所示。

圖5 5×5陣列

圖6 陣中單元駐波

由上面的仿真結(jié)果可以看出，陣元在5×5陣列中滿足駐波1.4 以下，H面方向圖波束寬度大于100°，滿足掃描±45°要求。

2.2.2發(fā)射陣

將俯仰4個(gè)單元用一個(gè)一分四功分器相連，并建立4×52元陣列，建立模型如圖9所示。

圖7 陣中單元H面方向圖

圖8 陣中單元與周圍陣元的耦合度

圖9 發(fā)射陣列

分別對(duì)這2個(gè)模型進(jìn)行仿真，觀察E面及H面方向圖。仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 H面方向圖

由以上仿真結(jié)果可以看出，發(fā)射陣方位面在全頻帶上滿足波束寬度2°±0.1°，俯仰面在全頻帶上滿足波束寬度20°±1°。

圖11 E面方向圖

2.2.3接收陣

建立接收陣列8×52元陣，如圖12所示。并對(duì)此模型進(jìn)行仿真，觀察E面及H面方向圖。

圖12 接收天線陣列

仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 H面方向圖

圖14 E面方向圖

由以上仿真結(jié)果可以看出，接收陣方位面在全頻帶上滿足波束寬度2.8°±0.2°，俯仰面在全頻帶上滿足波束寬度8°±0.5°。

2.3 隔離板的選擇

將發(fā)射陣列與接收陣列放置在一個(gè)平面上，上表面平齊，建立模型如圖15所示。

圖15 連續(xù)波陣列

經(jīng)仿真得到的2個(gè)陣列隔離度如圖16所示，可以看出，在未加隔離板的情況下，發(fā)射陣列與接收陣列隔離度為-50 dB。參考以往隔離措施，由于連續(xù)波雷達(dá)無法采用脈沖雷達(dá)的時(shí)間隔離措施，且根據(jù)接收發(fā)射要求無法利用極化隔離，故選用平面金屬板進(jìn)行空間電磁波隔離，阻斷電磁耦合通道，必要時(shí)涂覆錫鉑紙應(yīng)可增加效果。

圖16 未加隔離板的陣列隔離度

首先，采用單層金屬板作為隔離板，在2個(gè)陣列中心位置放置一塊金屬板，高度約1.5λL，建立模型如圖17所示。

圖17 加單層隔離板的連續(xù)波陣列

由仿真結(jié)果(圖18)可以看出，加上單層隔離板之后，2個(gè)陣列的隔離度由50 d B 增至65 d B，但仍然不能滿足實(shí)際需要。

圖18 加單塊隔離板的陣列隔離度

將單塊隔離板加至2塊隔離板，又叫U型隔離板。2塊板間距約為1.8λL，高度約為1.5λL，建立模型如圖19所示，仿真結(jié)果如圖20所示。

圖19 U 型隔離板的連續(xù)波陣列

圖20 U 型隔離板與單塊和不加隔離板的陣列隔離度

可以看出，加上U 型隔離板之后，2個(gè)陣面的隔離度在全頻帶上大于75 dB。

在隔離板上進(jìn)行開槽處理，可以使電磁波的繞射距離變長(zhǎng)，衰減更多，從而達(dá)到提高隔離度的目的。由此建立模型如圖21所示，在U型板上等間距、等深度地開槽，槽面向內(nèi)，平面向天線。

仿真結(jié)果如圖22所示，從中可以看出，在U型板上進(jìn)行開槽處理后，收發(fā)隔離度提升至90 dB以上。

圖21 開槽U 型板的連續(xù)波陣列

圖22 開槽U 型板與上述隔離板的隔離度

3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際加工調(diào)試，天線性能測(cè)試如下所述。

陣中單元方位方向圖如圖23所示。

圖23 陣中單元方位方向圖

測(cè)試結(jié)果滿足±45°掃描范圍要求。

發(fā)射陣列的方位方向圖如圖24所示。

圖24 發(fā)射陣列方位方向圖

接收陣列的方位方向圖如圖25所示。

圖25 接收陣列方位方向圖

測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

收發(fā)隔離度如圖26所示。

圖26 隔離度測(cè)試圖

頻帶內(nèi)的隔離度達(dá)到了-78.0 dB，滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文提出了一種開槽U型隔離板。從連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)隔離的基本理論出發(fā)，構(gòu)建了帶有開槽U型隔離板的12×52元陣列。測(cè)試結(jié)果表明，該陣列可以在設(shè)計(jì)頻段上實(shí)現(xiàn)寬角掃描、高隔離度等優(yōu)異性能。