崔傅平

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西西安 710068）

0.引言

20世紀(jì)以來(lái)，有源相控陣天線技術(shù)的快速發(fā)展和大量應(yīng)用，使得雷達(dá)的可靠性、隱身性、抗干擾能力和多目標(biāo)跟蹤能力等方面均有大幅提升，但其昂貴的成本也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用帶來(lái)了很多問(wèn)題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天線陣成本在整部雷達(dá)成本中占比通常超過(guò)一半以上。如何降低天線成本已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心；降低成本一般有2條路徑，一是靠芯片設(shè)計(jì)和微組裝工藝的發(fā)展，結(jié)合陣列設(shè)計(jì)的批量化生產(chǎn)使得成本大幅降低[2]；二是采用稀疏布陣的設(shè)計(jì)思路減少有源通道數(shù)量，雖然會(huì)損失一些電性能指標(biāo)，但可滿足某些工程項(xiàng)目的使用要求。

1.天線陣列設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)單元天線形式的設(shè)計(jì)、饋電結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到滿足阻抗帶寬與方向圖波束覆蓋的蝶形天線作為陣列的輻射單元，如圖1所示。

圖1 蝶形天線

天線單元為了與T/R組件進(jìn)行一體式的連接，使用四個(gè)單元一排進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。其中單元間距為10.5mm。由于陣列中H面（方位面）的單元間距dx=40mm，遠(yuǎn)大于半波長(zhǎng)，從自由空間沿陣列發(fā)線方向輻射至陣列地平面上的電磁波僅有部分能量再反射至振子上，而大部分可能再反射至自由空間。采用V字型反射地面在大單元間距時(shí)可以有效提高單元的口徑利用系數(shù)。輻射振子位于V字型的中央，振子與V字型的反射面構(gòu)成了一個(gè)H面喇叭型輻射單元如圖2所示。

圖2 天線陣列反射示意圖

天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，采用帶線型傳輸線的方式，與微帶型相比，帶線型饋電網(wǎng)絡(luò)具有頻帶比較寬、傳輸輻射較少、互耦較小的優(yōu)點(diǎn)，目前所設(shè)計(jì)的天線在每個(gè)象限中各有16個(gè)基本單元，基本單元的間距分別為40mm（方位）和42mm（俯仰），饋電網(wǎng)絡(luò)用2的4次方的方式，阻抗變換段依據(jù)空間尺寸采用2級(jí)變換，饋電網(wǎng)絡(luò)線路及構(gòu)成如圖3所示。

圖3 饋電網(wǎng)絡(luò)線路及構(gòu)成圖

由于T/R組件采用4通道一體化設(shè)計(jì)，且在基本單元的后級(jí)（靠近饋電網(wǎng)絡(luò)端口）中設(shè)計(jì)了1:4的等功率功分器，這樣饋電網(wǎng)絡(luò)就減少了兩級(jí)功分，可簡(jiǎn)化后級(jí)平面型饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)并減少饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的密度。饋電網(wǎng)絡(luò)為等幅同相的饋電方式，采用底饋的方式與T/R組件進(jìn)行盲插式饋電，每一個(gè)饋電點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)T/R組件，俯仰面單個(gè)單元間距為10.5mm，在4通道一體化設(shè)計(jì)后，每個(gè)T/R組件在俯仰面的間距為10.5×4=42mm，在方位面的間距為40mm。

天線結(jié)構(gòu)上以冷板作為主框架，T/R組件嵌入冷板的U型槽內(nèi)，通過(guò)V型反射板固定在冷板的一面，輻射陣子與T/R組件的4個(gè)饋電點(diǎn)焊接在一起；冷板的另一面先固定1分16的饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)上有16個(gè)SMP盲插頭與T/R組件的SMP盲插座相連，在饋電網(wǎng)絡(luò)外面固定波控板，饋電網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)位置留矩形開口，以便波控單元與T/R組件的控制接口相連。

2.基于超寬頻帶的柵瓣影響處理

2.1 對(duì)角度模糊的處理

當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在固定角度時(shí)，可能會(huì)在主瓣或柵瓣檢測(cè)到目標(biāo)，這時(shí)需要對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。利用雷達(dá)的超寬頻帶，在不同頻率時(shí)，柵瓣的位置隨頻率變化的移動(dòng)來(lái)解角度模糊。只要不同頻率產(chǎn)生的柵瓣位置之間的角度差比其中一種頻率工作下的主瓣寬度寬就能計(jì)算出真實(shí)的角度，即滿足下式即可：

其中f2>f0。

假設(shè)頻率f0時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)，由于主瓣和柵瓣都有可能檢測(cè)到，所以要進(jìn)行確認(rèn)。計(jì)算出頻率f0波束指向角度的估值，以頻率f2在目標(biāo)角度的估值處產(chǎn)生波束，目標(biāo)角度的估值處如果存在目標(biāo)，則可以檢測(cè)到目標(biāo)，目標(biāo)的真實(shí)角度就是估值。如果檢測(cè)不到目標(biāo)，則認(rèn)為目標(biāo)在頻率f0時(shí)的波束柵瓣處，通過(guò)計(jì)算得出柵瓣的角度，就是目標(biāo)的真實(shí)角度。這種方法在搜索時(shí)最好采用頻率間隔較大的頻率組合。在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行確認(rèn)是會(huì)帶來(lái)反應(yīng)時(shí)間上的損失。

2.2 減小柵瓣影響

減小柵瓣影響的方法統(tǒng)一利用超寬頻帶對(duì)不同頻率的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相干或非相干處理，提高主瓣與柵瓣信號(hào)比，減小影響。經(jīng)過(guò)3個(gè)點(diǎn)頻的相干處理，可以減小柵瓣影響約6dB。

3.天線陣面測(cè)試

測(cè)試的天線陣面如圖4所示，天線陣面在高波段波束掃描范圍方位覆蓋±18°，波束寬度＜3°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜10°；天線陣面在低波段波束掃描范圍方位覆蓋±30°，波束寬度＜4°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜15°。當(dāng)天線方位單元以2個(gè)波長(zhǎng)稀布時(shí)，會(huì)在30°左右的角度上產(chǎn)生柵瓣。但是對(duì)于不同的發(fā)射頻率，主瓣位置相同，而柵瓣的位置相差大于一個(gè)主瓣波束寬度。利用超寬頻帶的頻域處理，可以減小柵瓣影響。

圖4 天線陣面實(shí)物圖

4.總語(yǔ)

本文通過(guò)陣面的稀布方案，實(shí)現(xiàn)了通道數(shù)量縮減25%的要求，成本的下降與之相當(dāng)，其主要電性能參數(shù)滿足某項(xiàng)目要求。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，天線陣面在高波段波束掃描范圍方位覆蓋±18°，波束寬度＜3°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜10°；天線陣面在低波段波束掃描范圍方位覆蓋±30°，波束寬度＜4°，俯仰覆蓋±30°，波束寬度＜15°。利用超寬頻帶，可以減小稀疏布陣帶來(lái)的柵瓣影響。