高频雷达天线阵的相位噪声分析

贺承杰，邵学德，赵志华

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州450007)

高频雷达天线阵的相位噪声分析

贺承杰，邵学德，赵志华

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州450007)

高频雷达天线阵受风的作用会产生随机晃动，导致发射和接收信号的相位噪声一定程度的恶化，从而降低高频雷达系统的目标检测性能。针对高频雷达发射天线阵相位噪声恶化的情况，从天线单元和反射网2个主要方面对恶化原因展开了分析，得出了相位噪声恶化原因为天线单元阻抗变化和反射网晃动所引起的信号相位调制结论。根据结果分析，提出了相应的改进方案，并对改进后的天线阵相位噪声进行了测试，测试结果表明相位噪声比改进前降低了10 dB。

高频雷达；相位噪声；天线阵；天线单元；反射网

Abstract HF radar antenna array will swing when it is exposed to wind.The swing can deteriorate the phase noise of transmitting and receiving signals of HF radar and reduce the target detection ability of HF radar.For this case,this paper analyzes the cause of phase noise deterioration about antenna element and reflector net,and concludes that the cause is the signal phase modulation due to antenna element impedance changing and reflector net swing.Based on the calculation results,the corresponding improved design scheme is presented.The system performance with improved antenna array is tested,and the result shows that the phase noise is reduced by 10 dB.

Key words HF radar;phase noise;antenna array;antenna element;reflector net

0 引言

高频雷达根据探测信号的不同传播方式分为天波雷达和地波雷达，主要用于对地平线以下的空中和海面目标进行探测、跟踪和监视。为保证目标的可靠检测，高频雷达的杂波中可见度SCV一般要求为70～80 dB，为达到该指标，高频雷达发射机的相位噪声应不大于-90 dBc/Hz@1 Hz[1]，发射天线阵的相位噪声应不大于-85 dBc/Hz@1 Hz。在对某高频雷达发射天线阵相位噪声测试中发现，不同气象条件下测得的相位噪声差别较大。无风时，测得的相位噪声为-86 dBc/Hz@1 Hz，但在3～4级风情况下，测得的相位噪声为-79 dBc/Hz@1 Hz，比无风时增加了7 dB，对高频雷达的目标检测性能带来很大影响[2]。

从国内现有资料看，目前尚无分析和解决天线阵相位噪声方面的文献。为解决上述问题，本文首先从结构和组成上对天线阵进行了描述，然后以相位噪声理论和天线理论为基础，从时域角度分析和推导了天线单元和反射网振动与天线阵相位噪声变化的定量关系，并进行了模拟试验，根据试验结果，对发射天线阵的天线单元和反射网进行了针对性的改造。

1 天线阵组成

高频雷达发射天线阵主要由天线单元和地网组成，天线阵背面竖立有金属反射网，以提高天线阵的方向性，如图1所示。

天线阵的地网和反射网采用直径1.5 mm不锈钢丝编织的金属网，天线单元采用锥形竖笼单极天线形式(如图2所示)，其主要组成包括：锥状笼形振子、绝缘支撑、天线座和阻抗匹配器。锥状笼形振子主要由铝、钢等金属材料制造的支撑杆、笼圈和笼线组成，架设在绝缘支撑上，笼线采用直径2 mm的不锈钢丝绳。

图1 HF雷达天线阵示意

图2 天线单元示意

从发射天线阵的组成和材料分析，由于天线单元和反射网主要由柔性材料组成，在风等外力作用下会产生随机摆动和振动，发生机械形变，从而改变天线阵的参数，影响天线天线阵的性能。

2 相位噪声分析

2.1 相位噪声的表示

在频率源内部或者信号传输的过程中,噪声总会对信号产生调制。一个理想的信号可以描述为：

v(t)=V0cos(ω0t+φ0)。

(1)

式中，V0为信号幅度；ω0为信号角频率；φ0为信号固定相位，均为常数。

从时域看，理想信号为一确定的周期信号，在频域里则表现为一根纯谱线[3-4]，如图3所示。实际中，理想信号总会受到各种噪声的影响，表现为其信号幅度和相位受到调制，引起幅度和相位起伏。实际信号可表示为：

v(t)=(V0+ε(t))cos(ω0t+Δφ(t)) 。

(2)

式中，ε(t)为幅度起伏；Δφ(t)为相位起伏。

图3 理想信号频谱

图4 实际信号频谱

实际信号由于受到相位起伏的调制，其频谱不再为一根纯净的谱线，而是具有一定宽度的频谱如图4所示，即相位噪声。相位噪声通常以“单边带相位噪声”来表征，其定义为：偏离载波频率fm处，在1 Hz带宽内一个相位调制边带的功率PSSB与载波功率PS之比[3]，即

(3)

式中，Δφrms为相位起伏Δφ(t)的均方根。

2.2 天线单元相位噪声分析

天线单元是天线阵的主要组成部分，通过馈线与功放相连接，从功放输出端看，天线单元相当于功放的负载。发射机产生的信号经功放放大后，通过馈线输出到天线单元上，并在天线单元回路中产生高频电流，在空间感应出交变的电磁场，实现发射信号的空间辐射。天线单元上高频电流的大小与其输入阻抗密切相关，当输入阻抗发生变化，必然引起天线单元上高频电流的改变，从而影响发射信号的质量。

天线单元的输入阻抗[5-7]可表示为：

(4)

式中，Uin为天线输入端发射信号高频电压；Iin为天线单元输入端的高频电流；Rin为天线单元的输入电阻，Xin为天线单元的输入电抗。

天线单元输入阻抗的阻抗角[8-9]为:

(5)

当天线单元的输入电阻或输入电抗发生变化时，将改变输入阻抗的大小，同时阻抗角也随之改变。

天线单元锥状笼形振子的笼线采用不锈钢丝绳，通过螺钉固定在绝缘支撑上方的金属盘上，因为长时间暴露于空气中，金属盘和不锈钢丝绳接触的地方会发生氧化，使接触电阻变大。刮风时，不锈钢丝绳随风振动，其与金属盘之间的接触电阻也会发生随机变化，从而改变了整个天线单元的输入阻抗和阻抗角。

由于接触电阻发生变化引起的天线单元输入阻抗的改变可表示为：

Zin(t)=(Rin+ΔR(t))+jXin。

(6)

则输入阻抗的阻抗角为：

(7)

当输入电抗远小于输入电阻时，

(8)

将式(8)按幂级数展开，

(9)

θ(t)≈θ0(1-φ(t)+φ(t)2-φ(t)3+…)。

(10)

从式(10)中可以看出，当天线输入阻抗发生改变时，会引起阻抗角的改变，阻抗角的变化又会引起天线单元上高频电流的相位变化[10-11]，使辐射出去的发射信号的相位也发生改变，此时天线阵发射信号为：

v(t)=Vcos(ω0t+θ(t))=

Vcos(ω0t+θ0(t)-θ0(t)φ(t)+θ0(t)φ(t)2-…)=

Vcos(ω0t+θ0(t)+ψ(t))。

(11)

式中，ψ(t)=-θ0(t)φ(t)+θ0(t)φ(t)2-…。ψ(t)为天线阻抗变化引起的发射信号相位变化，根据式(3)其引入的相位噪声为：

(12)

式中，Δψrms为ψ(t)的均方根。

2.3 反射网相位噪声分析

由于天线单元采用的是单极天线形式，其水平方向图是全向的[12]，组成天线阵后，在直线阵前后两侧会形成双向波束。为了实现天线阵的定向性，在天线单元后面安装垂直金属反射网，可减小天线阵向后方的能量辐射，形成单方向辐射。反射网由不锈钢丝编制而成，受风的作用，很容易发生变形和摆动，从而造成反射网与天线单元之间的间距发生变化，如图5所示。

图5中，d表示正常情况下天线单元距反射网的间距，S(t)表示反射网在摆动情况下距天线单元的间距。

图5 天线阵反射网摆动示意

(13)

式中，Δs(t)为反射网摆动幅度。

假设天线单元辐射信号为：

v(t)=Acos(ω0t) 。

(14)

则经反射网反射后的信号为：

(15)

v(t)=Acos(ω0t+φ0+Δφ(t))。

(16)

根据式(3)，由Δφ(t)引起的相位噪声为：

(17)

式中，Δφrms为Δφ(t)的均方根。

3 改进措施及测试结果

高频雷达发射天线阵布置于野外，会经常遭受风雨的侵扰，尤其刮风时，天线单元和反射网会随风振动和晃动，造成物理变形和位移，影响天线阵的性能。原发射天线阵在设计时，天线单元是按短波通信天线的要求进行设计的，选用常用的柔性不锈钢丝绳作为笼形振子的材料，并未考虑到外界因素对天线阵相位噪声的影响。因此，在天线阵完成安装后进行测试时，发现无风和有风情况下，所测得的发射信号的相位噪声不一致，有风时发射信号的相位噪声要高于无风时的相位噪声。

从2.2和2.3节的分析中可以看出，天线单元和反射网随风振动和晃动是发射信号相位噪声增加的主要原因，随着风力的加大，所引入的相位噪声也会加大。为了确认分析结果，在进行发射天线阵相位噪声测试时，通过人工不断晃动反射网来模拟风的影响，人工晃动反射网的频率为1Hz左右，测试结果显示晃动时相位噪声比不晃动时有明显的增加，且在近载频1Hz附近的相位噪声增加最多。

根据分析和模拟测试结果，制定了发射天线阵的改造方案，有针对性地对天线单元和反射网进行了改造。

对天线单元的改造，主要考虑笼形振子笼线的刚性和导电性能，消除笼线随风振动引起的天线单元输入阻抗的变化，而原来的笼线所采用的不锈钢丝绳不能满足要求，必须更换。通过比较，选取了一种3mm的铜包钢丝作为笼线，其刚性和导电性能均优于不锈钢丝绳，在3～4级风条件下进行测试，未发现其随风振动和晃动。改造时，除了用铜包钢丝替换所有不锈钢丝绳笼线外，在笼线与金属盘连接处不但使用螺钉紧固连接，而且对连接处进行了焊接处理，增大了笼线与金属盘的接触面积，大大减小了笼线振动引起的接触电阻变化。

对于反射网的改造，主要考虑消除反射网随风晃动对发射信号的影响[13]。原天线阵的反射网采用的是柔性不锈钢丝网，刮风时，反射网会随风晃动。改造时，拆除了原来的反射网，取而代之的是由0.8mm镀锌钢管焊接成的间隔40cm宽金属栅栏，既减小了反射网的风阻，又增加了反射网的刚性，在3～4级风条件下进行测试，未发现其产生明显晃动。

对改进后的天线阵进行了相位噪声测试[14-15]，测试使用稳定度测试仪(TSC5120A)，分别在无风和3～4级风的条件下，测量天线阵发射信号的相位噪声。无风条件下的测试结果为-91.8dBc/Hz@1Hz，3～4级风条件下的测试结果为-89dBc/Hz@1Hz。相比发射天线阵改造前的测试结果，改造后发射天线阵的相位噪声有了明显改善，尤其在有风条件下，相位噪声改善了10dB。测试结果表明对天线阵相位噪声恶化问题的定位和分析是准确的，也说明了改进措施的针对性和有效性[16]。

4 结束语

影响天线阵相位噪声的因素很多，除了本文提到的天线单元和反射网的摆动外，还有地网的振动与起伏、天线单元间耦合所引起的阻抗变化等，都会对天线阵的相位噪声造成一定影响，其根本原因都是由于天线阵在外力作用发生形变，使发射信号受到一定程度的相位调制，从而使发射信号近载频的相位噪声恶化。本文所提出的分析方法和改进措施为解决天线阵相位噪声恶化问题提供了一种思路，也为短波天线阵的设计和研制提供了参考。

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Phase Noise Analysis of HF Radar Antenna Array

HE Cheng-jie，SHAO Xue-de，ZHAO Zhi-hua

(The27thResearchInstituteofCETC,ZhengzhouHe’nan450007,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.14

贺承杰，邵学德，赵志华.高频雷达天线阵的相位噪声分析[J].无线电工程,2017,47(8):58-61.[HE Chengjie，SHAO Xuede，ZHAO Zhihua.Phase Noise Analysis of HF Radar Antenna Array[J].Radio Engineering,2017,47(8):58-61.]

2017-01-09

国家自然科学基金资助项目(61271379)。

TN827

A

1003-3106(2017)08-0058-04

贺承杰 男，(1972—)，高级工程师。主要研究方向：雷达探测。

邵学德 男，(1967—)，研究员。主要研究方向：电子对抗及雷达探测。