周云林

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

相控陣天線采用電子方法實(shí)現(xiàn)天線波束指向，具有波束快速掃描、波束形狀快速變化及空間功率合成能力，能在指定的空域內(nèi)同時(shí)搜索和跟蹤多個(gè)目標(biāo)，越來越廣泛地應(yīng)用于各種雷達(dá)系統(tǒng)中[1]，在近幾十年得到迅速發(fā)展。

不過常規(guī)相控陣天線包含大量的饋電網(wǎng)絡(luò)、成千上萬的電控移相單元或T/R 組件、復(fù)雜的波束控制和電源子系統(tǒng)等設(shè)備，使得相控陣天線系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、成本高昂[2]。通常一部二維掃描的相控陣?yán)走_(dá)約70%～80%的成本集中在天線系統(tǒng)，考慮到費(fèi)效比，使得相控面陣?yán)走_(dá)在戰(zhàn)術(shù)上的廣泛使用受到了極大的限制[3]。降低相控陣天線成本的一個(gè)有效方法是盡量減少移相單元或T/R 組件的數(shù)量。

在保證天線增益和掃描范圍滿足技術(shù)指標(biāo)要求的情況下，天線單元數(shù)最少是相控陣天線優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一[4]。針對(duì)上述問題，本文通過對(duì)組陣思路的改進(jìn)，在相控陣?yán)走_(dá)機(jī)械掃描和電掃描相結(jié)合工作模式下，設(shè)計(jì)了一種有限掃描的Ku 頻段的寬帶T 型相控陣天線，正交的兩個(gè)96元線陣組合為一個(gè)相控陣天線，線陣在小角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位掃描。在滿足掃描精度的同時(shí)，顯著減少了天線單元和移相器數(shù)量。該陣列在34%的帶寬內(nèi)，具有方位/俯仰相掃±7.5°的掃描能力。在兩個(gè)線陣合成工作模式下，信號(hào)相干合成，可以明顯增加雷達(dá)的作用距離。通過理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，該T 型相控陣天線具備可實(shí)現(xiàn)性，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 陣列形式

T型相控陣天線主要由相同極化的一維方位線陣和一維俯仰線陣組成，如圖1所示。96元線陣小角度有限相掃情況下，在實(shí)現(xiàn)窄波束小角度掃描的同時(shí)，線陣正交方向波束覆蓋較寬。每個(gè)一維線陣波束覆蓋1°×15°空域，正交放置的兩個(gè)一維線陣掃描形成15°×15°的空域覆蓋。這樣，兩個(gè)線陣以正交雙扇形波束可同時(shí)快速掃描實(shí)現(xiàn)有限體空域監(jiān)視與目標(biāo)搜索，完成對(duì)目標(biāo)的精密搜索和跟蹤。相對(duì)于普通設(shè)計(jì)的M×N陣元設(shè)計(jì)，T型相控陣天線減少了陣元數(shù)量，降低系統(tǒng)造價(jià)，是一種相控陣低成本實(shí)現(xiàn)的途徑。

兩種相同極化的天線單元，一個(gè)方位面波束寬度大于15°，一個(gè)俯仰面波束寬度大于15°，天線單元的物理尺寸不相同。因此兩個(gè)天線陣列沒有相同的共用單元，即兩個(gè)陣列是兩個(gè)獨(dú)立的天線陣。陣列按“T”形排列，也避免線陣的不連續(xù)性。

當(dāng)一維方位線陣與一維俯仰線陣相干合成時(shí)，天線增益增加約3dB。

1.2 T 型陣基本原理

T型陣可以從二維面陣變形而來，當(dāng)面陣內(nèi)其余單元不激勵(lì)，即可形成T型陣。

以面陣方式考慮，可知面陣的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)方向圖如式（1）所示：

面陣除T 型區(qū)域外的其他單元不激勵(lì)，即其他區(qū)域的Fix,iy(θ,φ) = 0，當(dāng)iy= 0，ix= 1,… ,m時(shí)，F(xiàn)ix,iy(θ,φ)=F1(θ,φ)，即T 型陣的方位線陣；當(dāng)ix= 0,iy= 1,…,n時(shí)，F(xiàn)ix,iy(θ,φ)=F2(θ,φ)，即T型陣的俯仰線陣。因而式（1）可轉(zhuǎn)化為如式（2）所示：

T 型陣可以分解為兩個(gè)獨(dú)立線陣，可見它是面陣的一個(gè)特殊形式，其輻射原理與面陣相同。

1.3 單元天線設(shè)計(jì)

喇叭天線因結(jié)構(gòu)簡單、帶寬寬、耐功率大、方向性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。T 型相控陣天線采用喇叭天線作為陣列單元，如圖2 所示。根據(jù)使用要求的不同，方位陣列單元采用E 面扇形喇叭形式，俯仰陣列單元采用H 面扇形喇叭形式。兩種喇叭單元駐波仿真結(jié)果如圖3 所示，工作頻帶內(nèi)駐波小于1.7；方位喇叭單元天線、俯仰喇叭單元天線仿真方向圖分別如圖4～圖5 所示，兩種喇叭增益要求波束內(nèi)增益降基本一致。以方位喇叭為例，中頻f0增益為14 dBi，工作頻段內(nèi)，天線軸向增益大于12.6 dB；掃描面方向波束寬度大于±28°，±7.5°內(nèi)增益降小于0.23 dB；不掃描面方向波束寬度大于±10.5°，±7.5°內(nèi)增益降小于1.51 dB。因此，應(yīng)用喇叭天線作為單元天線對(duì)于提高天線陣的帶寬和增益具有非常重要的意義。

1.4 有限掃描天線柵瓣抑制

在設(shè)計(jì)相控陣天線陣列時(shí)，大間距可加大陣元間的隔離度，但隨著陣元間距的增加，柵瓣出現(xiàn)的角度越來越小，天線掃描將受到限制。當(dāng)陣元間距減小，將降低柵瓣影響，甚至消除柵瓣，但同樣的區(qū)域需要更多的陣元，使得天線的造價(jià)更加昂貴[5-6]。

T 型寬帶相控陣由于采用機(jī)械掃描和電掃描相結(jié)合的方式，可以顯著降低對(duì)相位掃描角度的需求，從而有效地減小柵瓣對(duì)天線的影響。小間距布陣將降低單元天線性能，增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)難度，增加天線成本。綜合考慮單元天線性能和柵瓣影響等因素，線陣單元間距設(shè)計(jì)為0.77 λ0。高頻段波束相掃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)柵瓣。為了抑制柵瓣影響，T 型寬帶相控陣天線采用性能優(yōu)良的喇叭天線單元，當(dāng)天線掃描到±7.5°時(shí)，方向圖如圖6 所示，可將高頻柵瓣抑制到-21 dB 以下。

1.5 相干合成

一維方位線陣與一維俯仰線陣信號(hào)極化相同，當(dāng)兩個(gè)線陣同時(shí)發(fā)射相同信號(hào)或者接收信號(hào)，即相干合成時(shí)，此時(shí)天線增益增加約3 dB，實(shí)現(xiàn)1°×1°合成筆狀波束，如圖7 所示。方位、俯仰陣列相干合成，天線增益提高、波束寬度減小，波束對(duì)空域的掃描需按常規(guī)兩維相控陣進(jìn)行。

2 天線陣測(cè)試

經(jīng)過理論分析與設(shè)計(jì)，研制了Ku 頻段T 型相控陣天線，實(shí)物如圖8 所示。兩維喇叭線陣及其后端的T/R 組件、饋電網(wǎng)絡(luò)等均安裝于T 型腔體結(jié)構(gòu)中，整合為一個(gè)系統(tǒng)。

在微波暗室對(duì)相控陣天線進(jìn)行了測(cè)試，在±7.5°內(nèi)掃描的方位線陣方位和差歸一化方向圖和俯仰面歸一化方向圖的測(cè)試值如圖9 所示。天線的法向掃描時(shí)，低、中、高三個(gè)頻點(diǎn)中，和波束副瓣電平小于-20 dB，差零深大于30 dB；在±7.5°波束掃描時(shí)，副瓣電平和零深略差。T 型相控陣天線法向掃描時(shí)，天線線陣增益大于30.9 dBi。俯仰線陣測(cè)試情況與方位線陣類似，在此不再贅述。相干合成的測(cè)試方向圖如圖10 所示，合成了約1°×1°的筆狀波束，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，筆狀波束兩邊角度受增益降低影響，幅度起伏明顯。從增益來說，相干輻射增益較線陣增益增加約3 dB，與設(shè)計(jì)吻合。

3 結(jié)論

本文介紹了一種有限掃描相控陣天線，其中包括天線的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路及試驗(yàn)結(jié)果。天線分為正交兩個(gè)一維線陣，成T 型組合，兩個(gè)一維線陣可以獨(dú)立工作，配合相控陣完成對(duì)有限體空域監(jiān)視與目標(biāo)搜索；兩維線陣同時(shí)工作，以正交雙扇形波束可同時(shí)快速掃描，配合完成對(duì)目標(biāo)的精密搜索和跟蹤。天線具有高增益、相干輻射及和差波束精密跟蹤等特點(diǎn)。在天線總體設(shè)計(jì)中，采用T 型陣設(shè)計(jì)思路，在保證相控陣天線掃描精度的同時(shí)，減少陣元數(shù)量，降低系統(tǒng)造價(jià)。喇叭單元采用0.77λ0間距，天線在34%的頻帶范圍內(nèi)方位/俯仰掃描±7.5°。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線滿足了頻帶寬度和掃描角度的要求，不掃描時(shí)線陣增益大于30.9dB，相干合成時(shí)，天線增益增加3dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。