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)對于提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的探測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。其主要功能是探測雷達(dá)目標(biāo)的極化散射特性，同時(shí)測得目標(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)極化測量體制固有的測量精度差、補(bǔ)償校準(zhǔn)復(fù)雜的缺陷，因而為準(zhǔn)確測量運(yùn)動目標(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，向外輻射信號和接收目標(biāo)回波信號的時(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)的場的相互作用即為互耦，互耦會使輻射場和方向圖產(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)算也會非常麻煩，但使用HFSS計(jì)算分析相鄰單元的互耦會比較方便。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，天線陣的場等于各單元輻射場的矢量疊加。為了得到強(qiáng)方向性，必須使各單元的輻射場在期望的方向相長干涉，而在其余方向相消干涉。通過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H面方向圖的影響

表2 平行間距對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。陣元間距過小，則會導(dǎo)致3dB寬度增大，而間距過大則又會導(dǎo)致副瓣的升高，而且可能會出現(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)的電長度有關(guān)，電長度越長，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滿足對兩個(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，因此需要長度均為的阻抗線變換進(jìn)行匹配，其中為導(dǎo)波波長。

圖7 功分器實(shí)物及其性能測試結(jié)果

實(shí)測結(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是天線陣列駐波測試結(jié)果，圖10是天線陣列的H面方向圖測試結(jié)果。

圖8 收發(fā)天線陣列以及運(yùn)動平臺實(shí)物

圖9 天線陣列駐波實(shí)測結(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-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)用電磁仿真軟件對收發(fā)天線陣列參數(shù)的選擇進(jìn)行了仿真分析，對各天線單元的激勵(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)物測試的結(jié)果與仿真結(jié)果也取得了較好的一致性。