一种双波束相控阵天线的设计与实现

邬树纯，倪文俊

（中国电子科技集团公司51所，上海201802）

0 引 言

目前各国大量应用的雷达干扰系统，大多采用单波束天线。此类系统波束指向单一，通过机械转动实现波束在空间的扫描。由于雷达体制的不断改进和升级，雷达部署越来越密集，对雷达干扰系统也提出了更高的要求，其中多方位、多目标同时干扰就是摆在雷达干扰系统面前的一个具体问题。因此，同时多波束雷达干扰技术近年来倍受推崇。多波束是指天线向空中辐射的电磁波是由多个波束组成，每个波束覆盖一定的空域，从而满足对同时多方位、多目标的覆盖需求。对于相控阵天线，仅通过改变馈入天线单元的相位即可使波束扫描，实现波束捷变。本文详细介绍了一种用于雷达干扰发射系统的双波束相控阵天线的设计与工程实现。

该相控阵天线的主要技术指标为：

工作频率：P波段；

极化：斜45°极化；

增益：≥21dBi；

波束宽度：25°×6°（方位×俯仰，中心频率）；

波束数：2个（同时）；

扫描角度：0°、±12.2°、±25°、±40°7个固定波束。

1 基本原理

1.1 相控阵天线原理

假设第i个天线单元的激励电流Ii具有相位iΔφB，那么第i个天线单元在远区目标P处产生的电场强度Ei可表示为：

图1 N单元均匀直线阵列

式中：Ki为第i个天线单元辐射场强的比例系数，该系数与天线单元形式有关，在均匀直线阵列中，各个天线单元是相似元，即各天线单元形状相同，单元方向图一致，则比例系数Ki为常数K 。

对于线性传播媒质，比如在空气中，电磁场方程是一个线性方程。那么，根据叠加定理，远区目标P处的总场强可以认为是线阵中每个天线单元在P点处产生的辐射场强的叠加，即：

将Ki用K代替，则上式可简化为：

在式（3）等号右边的分母中，ri可以用r0代替。从图1可以看出：

而一般来讲远区目标P点到0号天线单元的距离r0远远大于单元间距，因此式（4）中的idsinθ可以忽略不计。但是，在考虑天线单元之间的相位时，r0不能代替ri。

综上所述，式（3）可以表示为：

对于等幅馈电的阵列（即Ii为常数），根据式（7）可推算出3dB波束宽度：

1.2 移相法形成多波束原理

形成多波束的方法很多，采用多个馈源相继偏离抛物面天线的焦点，可以产生多波束。对于透镜天线，多个馈源排列在它的前焦平面上相继偏离焦点，也可以形成多波束。本设计采用多波束形成网络，通过移相法获得多波束［3］。

利用相控阵天线形成多波束的原理和产生波束扫描的原理相同，即采用一组移相器使相邻天线单元的激励电流之间产生一个固定的附加相位差。如果多组移相量各不相同的移相器并联工作，构成多个波束的形成网络，便可同时形成不同指向的多个波束。

以图2中双波束形成原理为例，共有N个阵元，相邻阵元间距为d。波束1激励信号通过N个功分器均分后，分别通过N个移相器，然后按照一定规律2路1组相加，馈入天线，形成2个波束。2个波束指向角分别为θ1和θ2，相邻阵元之间引入的相位差分别为ΔΦ1和ΔΦ2。θ与ΔΦ的关系为：

式中：θ为波束指向；d为单元间距；ΔΦ为相邻阵元之间的相位差，通常由移相器或电缆实现。

若相位差ΔΦ固定，则2个波束指向也是固定的；若ΔΦ可变，则波束也可按一定规律扫描。这里的移相器组可以放置在射频部分，也可以放置在中频部分。

2 工程实现

（1）天线单元及阵面设计

根据带宽、扫描范围、功率容量等要求，选择对数周期偶极子天线作为阵列单元，其单元模型如图3所示。这种天线单元增益约6～8dBi，波束较宽，适于宽带组阵。

图2 移相法多波束形成原理

图3 对数周期偶极子天线模型

根据式（8），按照波束宽度和增益要求，采用10×4个天线单元组成平面天线阵。其排列方式示意和阵元间距如图4所示。阵面分为4列10行，列间距dx＝320mm，行间距dy＝540mm。所有40个天线单元安装于同一块1 650×5 500的金属底板上，单元轴线方向平行于安装面法线方向，并朝向同一方向（即为天线波束最大值指向），所有单元的振子相互平行，且与水平面成45°夹角，以形成斜极化。

（2）波束网络设计

根据设计要求，该阵列天线需在方位面做7个固定角度的双波束独立一维扫描，采用了移相法实现同时双波束。由于该相控阵天线水平单元间距d＝320mm，根据式（9）计算，在波束指向θ分别为0、±12.2°、±25°、±40°时，频率在500MHz时所需的各路移相值见表1。

图4 主天线阵阵面示意图

表1 各路移相量需求

从表中各值可以看出，为实现系统所需的各种扫描角度，每一列移相值最多只有6种状态，不必使用数字移相器实现精确移相，因此采用了每列6组开关加延迟线（电缆）的方式实现移相功能。双波束形成网络组成原理框图见图5。

双波束形成网络有波束1和波束2共2个射频激励输入通道，每路信号分别进入一分四功分器，再分别进入4组面对面的开关组，经开关组选择不同的电长度通道后，波束1激励信号和波束2激励信号由一分二功分器合成同一通道共同进入一分十功分器，分成相同的10路信号，进入天线阵，每列10个功放输入端。4组面对面共16个SP6T开关在48位晶体管－晶体管逻辑（TTL）控制之下，根据一定的控制关系使波束1和波束2均能产生7组不同的通道相位，从而使波束1和波束2可分别独立指向7个不同的方位。

具体工作时，主控计算机根据工作波束的指向要求，将48位控制信号传给波束形成网络中的开关控制电路接口板，使开关选择相应的通道，形成相应的行相位分布，实现波束的方位面扫描。

3 仿真与测试结果

对天线阵性能在设计时进行了仿真计算，加工完成后在室外场进行了测试，仿真与实测结果对比 如图6所示。

图5 双波束形成网络组成原理框图

图6 扫描方向图对比

左侧为仿真扫描方向图，右侧为波束1的扫描方向图，3个测试频点分别为起始、中心和终止频率，波束2与波束1的方向图基本一致，不重复给出。

从对比结果可以看出，天线设计达到了预期效果，满足使用要求。

4 结束语

本文设计的相控阵双波束天线实现了方位同时双波束，可同时对2个方向的目标进行干扰。每个波束可在方位面±40°范围内进行独立扫描，克服了传统干扰天线波束单一以及扫描速度慢等弱点。通过系统测试及外场试验，系统性能满足总体使用要求。

［1］张光义.相控阵雷达系统［M］.北京：国防工业出版社，1994.

［2］Mailloux Robert J（美）.相控阵天线手册［M］.南京电子技术研究所译.北京：电子工业出版社，2007.

［3］丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理［M］.北京：电子工业出版社，2009.