一种超宽频带二维相扫多波束天线设计

崔傅平

（西安导航技术研究所，陕西西安 710068）

0.引言

20世纪以来，有源相控阵天线技术的快速发展和大量应用，使得雷达的可靠性、隐身性、抗干扰能力和多目标跟踪能力等方面均有大幅提升，但其昂贵的成本也为系统设计、应用带来了很多问题[1]。据统计，天线阵成本在整部雷达成本中占比通常超过一半以上。如何降低天线成本已成为系统设计的核心；降低成本一般有2条路径，一是靠芯片设计和微组装工艺的发展，结合阵列设计的批量化生产使得成本大幅降低[2]；二是采用稀疏布阵的设计思路减少有源通道数量，虽然会损失一些电性能指标，但可满足某些工程项目的使用要求。

1.天线阵列设计

通过对单元天线形式的设计、馈电结构的优化，得到满足阻抗带宽与方向图波束覆盖的蝶形天线作为阵列的辐射单元，如图1所示。

图1 蝶形天线

天线单元为了与T/R组件进行一体式的连接，使用四个单元一排进行一体化设计。其中单元间距为10.5mm。由于阵列中H面（方位面）的单元间距dx=40mm，远大于半波长，从自由空间沿阵列发线方向辐射至阵列地平面上的电磁波仅有部分能量再反射至振子上，而大部分可能再反射至自由空间。采用V字型反射地面在大单元间距时可以有效提高单元的口径利用系数。辐射振子位于V字型的中央，振子与V字型的反射面构成了一个H面喇叭型辐射单元如图2所示。

图2 天线阵列反射示意图

天线馈电网络的设计，采用带线型传输线的方式，与微带型相比，带线型馈电网络具有频带比较宽、传输辐射较少、互耦较小的优点，目前所设计的天线在每个象限中各有16个基本单元，基本单元的间距分别为40mm（方位）和42mm（俯仰），馈电网络用2的4次方的方式，阻抗变换段依据空间尺寸采用2级变换，馈电网络线路及构成如图3所示。

图3 馈电网络线路及构成图

由于T/R组件采用4通道一体化设计，且在基本单元的后级（靠近馈电网络端口）中设计了1:4的等功率功分器，这样馈电网络就减少了两级功分，可简化后级平面型馈电网络的设计并减少馈电网络输出端口的密度。馈电网络为等幅同相的馈电方式，采用底馈的方式与T/R组件进行盲插式馈电，每一个馈电点对应一个T/R组件，俯仰面单个单元间距为10.5mm，在4通道一体化设计后，每个T/R组件在俯仰面的间距为10.5×4=42mm，在方位面的间距为40mm。

天线结构上以冷板作为主框架，T/R组件嵌入冷板的U型槽内，通过V型反射板固定在冷板的一面，辐射阵子与T/R组件的4个馈电点焊接在一起；冷板的另一面先固定1分16的馈电网络，馈电网络上有16个SMP盲插头与T/R组件的SMP盲插座相连，在馈电网络外面固定波控板，馈电网络上相应位置留矩形开口，以便波控单元与T/R组件的控制接口相连。

2.基于超宽频带的栅瓣影响处理

2.1 对角度模糊的处理

当目标出现在固定角度时，可能会在主瓣或栅瓣检测到目标，这时需要对检测到的目标进行确认。利用雷达的超宽频带，在不同频率时，栅瓣的位置随频率变化的移动来解角度模糊。只要不同频率产生的栅瓣位置之间的角度差比其中一种频率工作下的主瓣宽度宽就能计算出真实的角度，即满足下式即可：

其中f2>f0。

假设频率f0时检测到目标，由于主瓣和栅瓣都有可能检测到，所以要进行确认。计算出频率f0波束指向角度的估值，以频率f2在目标角度的估值处产生波束，目标角度的估值处如果存在目标，则可以检测到目标，目标的真实角度就是估值。如果检测不到目标，则认为目标在频率f0时的波束栅瓣处，通过计算得出栅瓣的角度，就是目标的真实角度。这种方法在搜索时最好采用频率间隔较大的频率组合。在发现目标后进行确认是会带来反应时间上的损失。

2.2 减小栅瓣影响

减小栅瓣影响的方法统一利用超宽频带对不同频率的回波数据进行相干或非相干处理，提高主瓣与栅瓣信号比，减小影响。经过3个点频的相干处理，可以减小栅瓣影响约6dB。

3.天线阵面测试

测试的天线阵面如图4所示，天线阵面在高波段波束扫描范围方位覆盖±18°，波束宽度＜3°，俯仰覆盖±30°，波束宽度＜10°；天线阵面在低波段波束扫描范围方位覆盖±30°，波束宽度＜4°，俯仰覆盖±30°，波束宽度＜15°。当天线方位单元以2个波长稀布时，会在30°左右的角度上产生栅瓣。但是对于不同的发射频率，主瓣位置相同，而栅瓣的位置相差大于一个主瓣波束宽度。利用超宽频带的频域处理，可以减小栅瓣影响。

图4 天线阵面实物图

4.总语

本文通过阵面的稀布方案，实现了通道数量缩减25%的要求，成本的下降与之相当，其主要电性能参数满足某项目要求。通过实际测试，天线阵面在高波段波束扫描范围方位覆盖±18°，波束宽度＜3°，俯仰覆盖±30°，波束宽度＜10°；天线阵面在低波段波束扫描范围方位覆盖±30°，波束宽度＜4°，俯仰覆盖±30°，波束宽度＜15°。利用超宽频带，可以减小稀疏布阵带来的栅瓣影响。