P波段瞬態(tài)極化雷達(dá)收發(fā)天線陣列設(shè)計(jì)

1 引言

瞬態(tài)極化新體制雷達(dá)對(duì)于提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的探測(cè)性能和感知能力以及在抗干擾、反隱身、反低空突防等方面具有極其重要的軍事價(jià)值。其主要功能是探測(cè)雷達(dá)目標(biāo)的極化散射特性，同時(shí)測(cè)得目標(biāo)的極化散射矩陣的4個(gè)參數(shù)，避免了傳統(tǒng)的分時(shí)極化測(cè)量體制固有的測(cè)量精度差、補(bǔ)償校準(zhǔn)復(fù)雜的缺陷，因而為準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的極化散射矩陣提供了技術(shù)保證。

2 收發(fā)天線陣列概述

從系統(tǒng)功能的要求出發(fā)，天線陣列必須是兩套獨(dú)立的線極化天線陣，向外輻射信號(hào)和接收目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)候必須保證足夠的增益和良好的方向性能，同時(shí)具有良好的收發(fā)隔離度和極化隔離度，天線增益期望值為15dB，方向圖3dB寬度要求不超過(guò)25度。為減小地面反射及環(huán)境雜波影響，系統(tǒng)要求天線具有較低的副瓣。

3 收發(fā)天線陣列設(shè)計(jì)

3.1 天線單元設(shè)計(jì)

本文采取八木天線組陣來(lái)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)要求。并用配有U型平衡變換器的折合振子做饋電振子，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 七元八木天線結(jié)構(gòu)

3.2 天線陣列設(shè)計(jì)

天線陣的輻射是干涉現(xiàn)象的特例，輻射特性取決于陣元的類型、數(shù)目、排列方式以及各陣元的饋電等因素。另外，在天線陣中，由于各陣元相距較近，陣中任意兩元之間都有較強(qiáng)的場(chǎng)的相互作用即為互耦，互耦會(huì)使輻射場(chǎng)和方向圖產(chǎn)生變化。

3.2.1 相鄰陣元的互耦分析

由于天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，互耦的計(jì)算也會(huì)非常麻煩，但使用HFSS計(jì)算分析相鄰單元的互耦會(huì)比較方便。圖2顯示了相鄰天線單元共線排列和平行排列的互耦分析結(jié)果。

圖2 相鄰天線單元的互耦分析

結(jié)果顯示，隨著間距的增加，耦合按照減小，但不是平滑地減??；陣元的電場(chǎng)平行取向耦合比共線時(shí)強(qiáng)。當(dāng)共線間距≥5cm、平行間距≥20cm時(shí)，S₂₁≤-15dB，因此在組陣時(shí)只要選取間距大于上述所給數(shù)值時(shí)，耦合對(duì)方向圖的影響是可以忽略的。

3.2.2 天線陣列關(guān)鍵參數(shù)的選擇

若忽略單元之間的互耦，天線陣的場(chǎng)等于各單元輻射場(chǎng)的矢量疊加。為了得到強(qiáng)方向性，必須使各單元的輻射場(chǎng)在期望的方向相長(zhǎng)干涉，而在其余方向相消干涉。通過(guò)控制天線的幾何形狀、單元間距、單元的激勵(lì)幅度和相位和單元方向圖等因素，可以形成天線陣的總方向圖。

（1）陣元數(shù)目的選擇

圖3給出了在中心頻率為445MHz時(shí)不同陣元數(shù)目按一定間距排列時(shí)HFSS仿真得到的H面和E面方向圖?？梢钥吹诫S著陣元數(shù)目的增加，陣列增益逐漸增大，并且只要滿足某種排列時(shí)，5元陣和6元陣均能得到既滿足增益要求又適合主瓣寬度要求的方向圖，且副瓣均壓制在-15dB以下。

圖3 不同陣元數(shù)目仿真的方向圖

（2）陣元間距的選擇

為了便于實(shí)際工程的需要，結(jié)合上文對(duì)陣元數(shù)目的分析，選取6元陣列中的陣元間距作為研究對(duì)象，并假設(shè)為均勻饋電，采用HFSS作仿真分析。圖4給出了平行間距保持40cm不變的情況下，共線間距分別為60cm、70cm、80cm時(shí)的H面和E面方向圖；圖5給出了在共線間距保持70cm不變的情況下，平行間距分別為30cm、40cm、50cm時(shí)的H面和E面方向圖。

圖4 不同共線間距時(shí)的方向圖仿真結(jié)果

圖5 不同平行間距時(shí)的方向圖仿真結(jié)果

表1列出了在不同共線間距下H面方向圖的波束寬度和第一副瓣電平；表2列出了在不同平行間距下E面方向圖的波束寬度和第一副瓣電平。

表1 共線間距對(duì)H面方向圖的影響

表2 平行間距對(duì)E面方向圖的影響

可以看出：當(dāng)平行間距固定時(shí)，共線間距對(duì)E面方向圖影響不明顯，但顯著影響H面的方向圖；當(dāng)共線距固定時(shí)，平行間距對(duì)H面方向圖影響不明顯，但顯著影響E面的方向圖。陣元間距過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致3dB寬度增大，而間距過(guò)大則又會(huì)導(dǎo)致副瓣的升高，而且可能會(huì)出現(xiàn)柵瓣。這是因?yàn)?，均勻饋電時(shí)，共線(平行)平面的半功率主瓣寬度只與天線行(列)的電長(zhǎng)度有關(guān)，電長(zhǎng)度越長(zhǎng)，半功率主瓣寬度越窄。陣列天線的兩個(gè)主平面上的方向性是互相獨(dú)立的，可以分別控制，根據(jù)這一點(diǎn)，可在行方向和列方向采用不同的排列來(lái)滿足對(duì)兩個(gè)主平面方向性的不同要求。根據(jù)方向圖的結(jié)果分析，選取了共線間距d1=70cm，平行間距d2=40cm的3×2陣列作為實(shí)際陣列的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（3）陣元饋電幅度加權(quán)的選擇

圖6顯示了均勻分布與泰勒分布的方向圖的H面和E面的對(duì)比，相比均勻分布，泰勒分布的方向圖增益有1.8dB的下降，H面的主瓣寬度增加1.8度，第一副瓣電平降低3.92dB；E面的主瓣寬度增加10.36度，但第一副瓣消失。泰勒分布實(shí)現(xiàn)了壓低副瓣的效果，但是這樣增加了功分器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。上文中陣列方向圖的分析可知并不需要對(duì)輸入各天線單元電流采用泰勒分布加權(quán)處理，當(dāng)各單元使用等幅同相電流激勵(lì)時(shí)即可滿足本文天線陣列的指標(biāo)要求。

圖6 均勻分布和泰勒分布的方向圖對(duì)比

3.2.3 功分器設(shè)計(jì)

各單元使用等幅同相激勵(lì)時(shí)需要設(shè)計(jì)六等分的功分器，利用阻抗匹配理論，設(shè)計(jì)了如圖7所示的功分器，輸入端口的阻抗為，而各輸出端口的阻抗為，因此需要長(zhǎng)度均為的阻抗線變換進(jìn)行匹配，其中為導(dǎo)波波長(zhǎng)。

圖7 功分器實(shí)物及其性能測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該功分器的駐波在420MHz～470MHz內(nèi)小于1.3，各端口輸出幅度與理論值基本吻合，符合使用要求。

4 天線陣列性能實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8給出了收發(fā)天線陣列實(shí)物圖。圖9是天線陣列駐波測(cè)試結(jié)果，圖10是天線陣列的H面方向圖測(cè)試結(jié)果。

圖8 收發(fā)天線陣列以及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)物

圖9 天線陣列駐波實(shí)測(cè)結(jié)果

在420MHz～470MHz的頻帶內(nèi)天線陣駐波小于2。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 天線陣列H面方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果

組陣之后的方向圖主波束較窄，頻率在420MHz時(shí)，3dB寬度為24.19º，第一副瓣電平小于-15dB，背瓣小于-20dB；頻率為445MHz時(shí)，3dB寬度繼續(xù)變窄為22.98º，第一副瓣電平略有升高但小于-15dB，背瓣小于-20dB，頻率在470MHz時(shí)，3dB寬度為22.08º，第一副瓣電平升高，不超過(guò)-15dB，背瓣上升但小于-20dB,天線在帶內(nèi)的方圖一致性較好，已滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文采用八木天線作為天線陣單元，運(yùn)用電磁仿真軟件對(duì)收發(fā)天線陣列參數(shù)的選擇進(jìn)行了仿真分析，對(duì)各天線單元的激勵(lì)功率實(shí)施特定的加權(quán)實(shí)現(xiàn)了窄波束、低副瓣天線陣列。實(shí)物測(cè)試的結(jié)果與仿真結(jié)果也取得了較好的一致性。