一种基于有限扫描六波束相控阵天线的设计

林 鑫，白晓坤，王 洪，马 羽，张天乐

(1.上海航天电子通讯设备研究所，上海201109 ；2.空装驻上海地区第一军代室，上海201109)

0 引言

相控阵雷达有搜索和跟踪2种基本工作方式[1]。目前，一般搜索任务与跟踪任务分别由搜索雷达与跟踪雷达完成，这样设备量较大，为设备转场等增加工作量。本文详细介绍了一种基于有限扫描的双波束相控阵天线的工作原理、设计方法以及相控阵接收方向图实测结果。该相控阵为搜跟一体化雷达天线阵面，将搜索雷达天线阵面和跟踪雷达天线阵面合二为一，其在俯仰维具有高低2组波束，每组波束中含有和波束、俯仰差波束以及方位差波束[2-3]。2组波束俯仰维之间的分离角等于接收和波束的3 dB波束宽度。该相控阵倾角为25°，2组接收波束在0°～ 70°范围内同步电扫描，同时，其具备二维扫描能力。法向状态时(即不通过TR移相产生的指向偏离)和波束二维副瓣低于-30 dB，俯仰差与方位差副瓣低于-18 dB，极限扫描角副瓣略有下降。

1 有源子阵设计

为了在有限空间内实现天线二维大角度扫描不出现栅瓣，天线单元采用三角排布[4]，如图1所示。

图1 有源子阵排布方式示意Fig.1 Layout of active subarray

式中，dx为水平单元间距；dy为俯仰单元间距；θx为方位最大扫描角；θy为俯仰维最大扫描角。

综合天线波束宽度要求、阵面口径限制以及接收网络设计，方位维取6单元，俯仰维取4单元，因此子阵大小为162 mm×136 mm。

有源子阵实物图如图2所示。有源子阵集成了TR组件、电源板、激励器板以及子阵2分6功分器等器件，通过2分6功分器，在子阵级实现高低波束分离[5]。

图2 有源子阵实物Fig.2 Active subarray picture

2 天线阵面构型设计

相对于传统的矩形阵面排布，本文论述的天线阵面的有源子阵采用三角错位排布，通过布局有源子阵位置，使得相邻辐射子阵间错位为辐射天线子阵长度的一半。由于二维平面阵的远场波束特性是辐射阵面幅相特性的二维傅里叶变换[6-7]，进行子阵级的错位，可以破坏原有周期性，从而导致波束在UV空间内的旋转，有效降低有限扫描的栅瓣。

图3 有源子阵三角排布方式Fig.3 Triangular arrangement of active subarray

3 接收网络设计

3.1 接收网络工作原理

每个子阵由2分6功分器分出2路信号，分别送入低波束功分网络和高波束功分网络，如图4所示。

和差一体化网络的和端口到各个出口为等幅输出，差端口到各个出口幅值满足准贝利斯分布，结合TR组件衰减，实现修正泰勒和加权和贝利斯差加权网络一体化设计；低波束俯仰和差一体化网络和差口到各个端口相位实现等相(φ)递增，高波束俯仰和差一体化网络和差口到各个端口相位实现等相(φ)递减；低波束方位和差一体化网络和差口到偶数端口的相位比到奇数端口的相位大φ/2，高波束方位和差一体化网络和差口到偶数端口的相位比到奇数端口的相位小φ/2;低波束俯仰差1分8功分器与高波束俯仰差1分8功分器均为等幅输出，相位特性与高、低波束方位和差一体化网络一致，即总口到偶数端口的相位比到奇数端口的相位大φ/2或-φ/2。

图4 天线接收网络原理Fig.4 Schematic diagram of antenna receiving network

3.2 高波束俯仰和差一体化网络设计

根据相控阵雷达理论，N单元直线阵如图5所示。

图5 N单元等间距直线阵Fig.5 N-element equidistant linear array

其波束指向θ、相邻单元相位差ξ、单元(子阵)间距d存在以下关系：

ξ=βdsinθ≈βdθ。

(1)

对于泰勒线阵[9]，存在以上关系：

(2)

当高低和波束相交处指向法向的时候，高、低波束的波束指向分为双波束分离角一半-θ/2和θ/2，根据使用要求，双波束分离角等于波束宽度，则式(1)中θ等于式(2)中的HP。

由式(1)、式(2)可得式(3)：

(3)

对于已知泰勒线阵[8]，σ，L，R均为定值，则ξ也为定值，这就要求相邻单元相位差在工作频段内保持一致。

根据式(1)可得，ξ=-47°，即φ=ξ/2=-23.5°。

对于高波束而言，各个有源子阵的输入相位自下而上，相位等相递增，即以1端口为基准，各个端口的相位差为0°，-23.5°，-47°，-70.5°，-94°，-117.5°，-141°以及-164.5°。

为了实现差波束-18 dB低副瓣，需结合TR组件衰减而得到泰勒分布，使得差电流分布为准贝利斯分布。经过优化设计，差口到各个有源子阵输入电流幅度自下而上分布为1，1，0.25，0.01，0.01，0.25，1，1；而和口到各个有源子阵输入电流为等幅输入即可。

高波束俯仰和差一体化网络采用功分器多层板间互联结构[9]，上下电路均为带状线结构形式，其电路示意如图6所示。

(a) 网络上层电路

(b) 网络下层电路

仿真结果如图7、图8、图9和图10所示。由图7可知，和口到各个端口为等幅输出，-9.4±0.3 dB;由图8可知，和口到各个端口相位以23.5°等差值递增;由图9可知，差口到各个端口幅度为-8.3，-8.3，-11.5，-19.5，-19.5，-11.5，-8.3，-8.3 dB，从而保证其电流分布满足1，1，0.25，0.01，0.01，0.25，1，1；由图10可知，差口到 1～4端口相位与和口一致，差口到 5～9端口相位与和口到5～9端口相位差180°。

图7 和口到各个端口幅度分布Fig.7 The amplitude distribution of the sum port to each port

图8 和口到各个端口相位分布Fig.8 The phase distribution of the sum port to each port

图9 差口到各个端口幅度分布Fig.9 The amplitude distribution of the difference port to each port

图10 差口到各个端口相位分布Fig.10 The phase distribution of the difference port to each port

3.3 其他和差一体化网络设计

低波束俯仰和差一体化网络、低波束方位和差一体化网络以及高波束方位和差一体化网络其设计原理与低波束俯仰和差一体化网络基本一致，区别在于各个出口的相位不同。低波束俯仰和差一体化网络和口到各个端口相位以23.5°等差值递增；低波束方位和差一体化网络，以1口为基准，和口到各个端口的相位分别为0°，11.75°，0°，11.75°，0°，11.75°，0°，11.75°；高波束方位和差一体化网络，以1口为基准，和口到各个端口的相位分别为0°，-11.75°，0°，-11.75°，0°，-11.75°，0°，-11.75°。所有的和差一体化网络差口到 1～4端口相位与和口一致，差口到5～9端口相位与和口到5～9端口相位差180°。

4 测试验证

结合上述有源子阵与射频网络，设计出的相控阵实测结果如图11～图19所示。所有的测试均在平面近场中完成。

图11 法向状态高低波束俯仰和方向图Fig.11 Sum elevation pattern of the high and low beam in normal state

由图11可知，双组波束的分离角与设计吻合很好，为2.99°。由图12～图15可知，法向状态方向图副瓣为-30.9 dB，俯仰差副瓣为-23.2 dB，方位差副瓣为-18.4 dB；由图16～图19可知，俯仰维扫描到极限角度45°时，有限扫描产生的栅瓣略有抬高，和波束最大副瓣抬升到-25.5 dB，俯仰差副瓣抬升到-16 dB，满足各项战术指标要求。

图12 法向状态低波束俯仰和差方向图Fig.12 Sum and difference elevation pattern of the low beam in normal state

图14 法向状态高波束俯仰和差方向图Fig.14 Sum and difference elevation pattern of the high beam in normal state

图16 俯仰扫描45°低波束俯仰和差方向图Fig.16 Sum and difference elevation pattern of the low beam in 45°elevation scanning

图13 法向状态低波束和差方位方向图Fig.13 Sum and difference azimuth pattern of the low beam in normal state

图15 法向状态高波束和差方位方向图Fig.15 Sum and difference azimuth pattern of the high beam in normal state

图17 俯仰扫描45°低波束和差方位方向图Fig.17 Sum and difference azimuth pattern of the low beam in 45°elevation scanning

图18 俯仰扫描45°高波束俯仰和差方向图Fig.18 Sum and difference elevation pattern of the high beam in 45°elevation scanning

图19 俯仰扫描45°高波束和差方位方向图Fig.19 Sum and difference azimuth pattern of the high beam in 45°elevation scanning

5 结束语

通过对阵面的合理排布、有源子阵有效划分以及射频网络的优化设计等方法，使得天线阵面具备同时六波束功能，其二维和副瓣均优于-30 dB，差副瓣优于-18 dB。同时，后续可对有源子阵进行适应性改进设计，使其后端可直接接入数字接收机，该相控阵即可成为数字多波束相控阵，为后续数字相控阵设计奠定了坚实的基础。