P波段瞬態(tài)極化雷達收發(fā)天線陣列設計

1 引言

瞬態(tài)極化新體制雷達對于提高雷達系統(tǒng)在復雜戰(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值。其主要功能是探測雷達目標的極化散射特性，同時測得目標的極化散射矩陣的4個參數(shù)，避免了傳統(tǒng)的分時極化測量體制固有的測量精度差、補償校準復雜的缺陷，因而為準確測量運動目標的極化散射矩陣提供了技術保證。

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立的線極化天線陣，向外輻射信號和接收目標回波信號的時候必須保證足夠的增益和良好的方向性能，同時具有良好的收發(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)天線陣列設計

3.1 天線單元設計

本文采取八木天線組陣來實現(xiàn)工程設計要求。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 天線陣列設計

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)的復雜性，互耦的計算也會非常麻煩，但使用HFSS計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強。當共線間距≥5cm、平行間距≥20cm時，S₂₁≤-15dB，因此在組陣時只要選取間距大于上述所給數(shù)值時，耦合對方向圖的影響是可以忽略的。

3.2.2 天線陣列關鍵參數(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時不同陣元數(shù)目按一定間距排列時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，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時的H面和E面方向圖。

圖4 不同共線間距時的方向圖仿真結(jié)果

圖5 不同平行間距時的方向圖仿真結(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：當平行間距固定時，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；當共線距固定時，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，則會導致3dB寬度增大，而間距過大則又會導致副瓣的升高，而且可能會出現(xiàn)柵瓣。這是因為，均勻饋電時，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，電長度越長，半功率主瓣寬度越窄。陣列天線的兩個主平面上的方向性是互相獨立的，可以分別控制，根據(jù)這一點，可在行方向和列方向采用不同的排列來滿足對兩個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陣列作為實際陣列的設計依據(jù)。

（3）陣元饋電幅度加權的選擇

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。泰勒分布實現(xiàn)了壓低副瓣的效果，但是這樣增加了功分器設計的復雜度。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處理，當各單元使用等幅同相電流激勵時即可滿足本文天線陣列的指標要求。

圖6 均勻分布和泰勒分布的方向圖對比

3.2.3 功分器設計

各單元使用等幅同相激勵時需要設計六等分的功分器，利用阻抗匹配理論，設計了如圖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行匹配，其中為導波波長。

圖7 功分器實物及其性能測試結(jié)果

實測結(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 天線陣列性能實測結(jié)果

圖8給出了收發(fā)天線陣列實物圖。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)天線陣列以及運動平臺實物

圖9 天線陣列駐波實測結(jié)果

在420MHz～470MHz的頻帶內(nèi)天線陣駐波小于2。滿足設計要求。

圖10 天線陣列H面方向圖實測結(jié)果

組陣之后的方向圖主波束較窄，頻率在420MHz時，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，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，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，已滿足設計指標要求。

5 結(jié)論

本文采用八木天線作為天線陣單元，運用電磁仿真軟件對收發(fā)天線陣列參數(shù)的選擇進行了仿真分析，對各天線單元的激勵功率實施特定的加權實現(xiàn)了窄波束、低副瓣天線陣列。實物測試的結(jié)果與仿真結(jié)果也取得了較好的一致性。