环栅型宽带多波束相控阵天线初探
来源:爱够旅游网
・438・ 现代导航 2011焦 环栅型宽带多波束相控阵天线初探 李长源 (中国电子科技集团公司第二十研究所,西安710068) 摘要:抛物透镜式天线利用其馈源偏置特性可同时产生多波束,当透镜为环栅型相控阵形 式时,该组合天线即成为同时多波束相控阵天线,因此研究该型天线的特性,具有非常重要的使 用价值。 关键词:环栅型;抛物面;有限扫描相控阵;透镜;波束偏移 中图分类号:TN823 15 文献标识码:A 文章编号:1674.7976.(2011)06.438.06 Ring--Gate Broadband Multi--Beam Phased Array Antenna LI Changyuan Abstract: For the parabolic lens antenna with offset feed can generate multi—beam at same time,the phased array antenna with the ring-gate lens serves as a simultaneous multi—beam phased array antenna.The research on the characteristic of the antenna is of significance. Key words:Ring—Gate;Paraboloid;Limited Scan Phased Array;Lens;Beam Offset 相控阵天线【1.4】波束捷变为雷达系统提供了多 又是雷达系统截获超低空来袭目标的重要手段。天 目标、高数据率、高精度及多功能等多项技术,能 线系统设计时要选用频响缓慢的设计方案,采用超 满足现代雷达的技术需求,因而它越来越受到人们 宽带辐射单元和超宽带馈源喇叭。在空馈和强馈均 的重视。但当这样的相控阵天线又能支持超宽带同 可供选择时,选用空馈是一种最佳的方式,它能实 时具有多波束特性时 ,它为雷达的目标搜索和截获 现宽带匹配,同时又能在射频域极易实现多波束, 又节省了时间资源,这些需求正是防御系统,特别 并取消有限带宽的魔T比较器。 是它既能快速广域截获己方炮弹位置,又能精密跟 踪敌方目标信息,是系统迫切需求的一种高性能天 1设计方法 线分机。 有限相扫天线与普通宽角平面相控阵天线相 环栅型相控阵天线能大幅度减少相控阵面的 比进一步降低了雷达的使用成本,是天线扫描范围 移相器和辐射单元,从而实现降低天线造价的目 和相控阵天线价格之间的折衷,表现在天线系统设 的。由于单元数目的减少,同时阵面单元间距较大, 计中就是要尽量地减少使用移相器或T/R组件的数 天线将出现隐形栅瓣。如何抑制栅瓣电平是环栅型 目,因为移相器和控制系统在相控阵天线的造价中 天线设计中的一个重要问题,一般情况采用以下措 占有一定的比例。所以,本初探是在满足系统性能 施: 的前提下,最大化地减少可控单元的数量。 (a)打破单元在平面内排列的周期性,采用 天线带宽与雷达系统抗干扰特性密切相关,它 非周期性的单元排列形式,如环栅型; (b)采用比较大的辐射单元口径,利用单元 因子抑制栅瓣电平; 收稿日期:2011 10.28。 第6期 李长源:环栅型宽带多波束相控阵天线初探 ・439・ (c)采用电磁波的空间滤波器(如天线罩) 在阵列天线栅瓣的位置抑制电磁波功率的透射; (d)采用辐射单元口径上的多模技术,使单 元方向图在阵列方向图栅瓣处的幅度最小; (e)可在一个阵列天线中使用多种辐射单元 口径,并使单元随机地进行排列; (f)在阵列排列形式中,采用重叠或交错子阵 技术,使子阵在天线有效电扫范围中的辐射尽可能 地接**顶子阵方向图,使电扫描范围之外尽可能 2环栅型相控阵辐射单元的设计分析 在设计分析单元的口径时,先定义几种口径型 辐射单元面积。以阵面中最外层辐射单元的外切线 为边,设环栅型相控阵天线的物理面积为A物,阵 中的总单元数为 ,.则单元的栅格面积为 栅: 栅 =A枥|M。 当单元栅格面积确定后,对于口径型辐射单元 无辐射。 采用上述技术之后,理论上可最大化的抑制天 线栅瓣电平。但由于加工技术、系统带宽要求等多 种因素,本初探采用两种措施即可实现设计要求, 即上述中的(a)和(b)。 宽带多波束相控阵天线可以利用同一天线口 径形成多个独立的波束,形成多波束的方法有多 种,不同方法的复杂程度和性能有较大区别,其中 最为广泛使用的多波束是两维单脉冲形成。 为了提高雷达的测角分辨率、测角精度和抗干 扰能力往往要求天线波束宽度尽可能窄。但天线波 束宽度变窄以后,若仍用单个天线波束去搜索一定 的空域,则搜索时间增加,这意味着雷达数据率要 下降。对于要观测多批目标或同时观测己方炮弹和 来袭导弹时,除用于目标搜索的时间外,还要分割 时间对目标进行跟踪,这将导致搜索数据率进一步 降低,要解决这一问题,很大程度上依赖于相控阵 天线的多个波束能力。 当相控阵天线采用强制馈电时,在馈电网络中 利用多级定向耦合器的组合或利用巴特勒矩阵可 以形成多个波束,但不管是定向耦合器还是巴特勒 矩阵,它们都存在频带较窄和插入损耗较大的问 题;而且组合之后,系统复杂、笨重,即使设计能 实现最佳,也不可能工作于超宽带系统。所以,即 使工作于窄带时工程中也很少使用,不适合宽带多 波束方案。 相控阵天线采用空间馈电的方法已被广泛使 用,它利用了几何光学法和射线跟踪法,可以分析 设计出非常理想的天线系统。它具有馈电简单、口 径幅度分布有限可控,特别是具有宽带的突出优 点,当需要多波束时,利用天线口径线性相差、馈 电焦斑偏移的波束偏移因子,非常有效地实现超宽 带多波束。 (非振子型或其它形式),定义口径型辐射单元的 口径物理面积为 ,很显然,选用口径单元时仍 有下式成立: 口< 栅。 口径型辐射单元的物理面积并不等于有效面 积,仍定义单元的有效面积为 效,由于口径型单 元的场分布并非均匀,所以也有下式成立: 效< 口 在环栅型相控阵天线中,不仅非周期性排列可 对栅瓣进行抑制,还有一项就是利用辐射单元的单 元因子。较大的口径辐射单元且更均匀的单元口径 场分布可以产生较窄的单元辐射方向图,口径越 大,单元因子在栅瓣处的抑制作用就越大,从单元 口径的定义知道,在单元设计时是要尽可能地选取 较大的口径尺寸,使 效与 及 栅尽量逼近。在 口径型单元中,有圆形口径和矩形口径之分,矩形 口径的场分布在传输凰。主模时具有余弦分布,其 口径效率为0.81,当产生高次模时,则效率下降, 所以单元设计时要保证仅有主模,但又由于矩形单 元口径的余弦分布,使得其 、 面的方向图偏差 较大,往往设计的相扫天线,其E、 面的动态扫 描增益下降不能达到最佳,单元间距较大时矩形口 径的情况将变得更差。圆形口径的辐射单元当传输 l主模时,虽然由于口径场分布中产生了不必要 的交叉极化,使口径效率略有下降,但单元的E、 方向图动态性能最好,可以实现宽角匹配,在工 程设计中已被广泛使用。 环栅型相控阵辐射单元为圆形口径时,E、 面方向函数分别为: 斛 ・ ㈣ ・440・ 现代导航 H面多波束扫描方向图 2011年 式中,u=kRsin0,R为圆波导辐射单元的半径, 、 分别为第一类零阶和一阶贝塞尔函数。 由于环栅型相控阵受能面为非扫描平面,其单 元的最大指向应尽可能指向焦区,因此为提高受能 面效率,可采用较大的辐射单元口径,其单元构成 的形面为抛物型面。 3环栅型、多波束相控阵辐射方向图 馈电喇叭数量为7只(方位5只,俯仰3只, 中心喇叭馈源公用),馈源口径为aXb,阵元总数 为3000个,总圈数为29,最外圈阵面直径lO00mm。 因此,环栅型有限相扫天线的方向函数为: N MiI、 F(O, )=∑∑ , )・f(O, ・ i=1 j=l cos ( ・cos ̄o+y.sin ̄o).sin0+IP(i, 一A ̄o(i, (2) 其中, ( ,Y)为阵列由对应喇叭馈电时天线口径的 幅度分布,s(o, )为辐射单元方向性因子,△ (f,J) 为数字式移相器量化的剩余误差, f, )为第i,J 号辐射单元由对应喇叭馈电时的固有插入相移。 对式(2)进行编程可得到E、 面辐射方向图如 图1和图2所示。 4抛物面与环栅型相控阵波束偏移因 子的比较 众所周知,抛物面天线具有将平行抛物面轴线 的电磁波聚焦于抛物面焦点的能力,即从抛物面的 口径平行于轴传输经反射再至焦点的射线长度都 相等。但当波束偏离轴线时,抛物面的聚焦波也将 偏离其焦点,随着波束偏离轴线角度的增加,波束 产生的焦斑偏离其焦点更大,且聚焦能力逐步变 差。尽管如此,在来波偏离轴线的有限范围内,仍 然有一可利用的焦斑,若将天线的馈电点(馈源) 或馈电焦斑置于抛物面天线的有效焦斑处,则抛物 面天线即可在有限的角度范围内进行扫描。利用抛 物面天线的这一特性,可以设计出多波束天线、单 脉冲天线的差波束以及有限扫描相控阵天线。为方 便且不失一般性,将实际使用的三维物理天线简化 为两维平面口径图形进行研究。 theta(角度) 图1理论计算馈源E面方向图 ・1 0 一一一一 一一 ---L一要 第三馈源J 篷 s ~ 。 0、 . 一{ 瑚 0.0 0 一… … 皿 ≯樾 ● 一 薯 图2理论计算馈源H面方向图 首先,假设所用的抛物面口径为D,焦距为F, 即焦距直径比F/D为0.5,同样环栅型相控阵天线 的口径也为D,受能面焦距直径比F/D也为0.5。 由于环栅型相控阵天线偏焦时的电波传输路径与 抛物反射面偏焦时的电波传输路径不同,环栅型相 控阵天线由焦点馈源和偏焦馈源发出的球面波到 达受能面之后,均沿天线的轴线方向传输,且由阵 面上各处的相移单元对从主焦点发出的波进行相 位校准,当环栅型相控阵天线的实际工作频率变化 时,阵面上各处单元的移相器均可对主馈源所有的 频响进行校正,不存在频差响应,但当需要多波束 相扫时,相移单元只对主焦点波束进行相位校准, 偏波束进行随动,偏波束馈源只能且只有来波偏离 扫描的主波束时,才能接收到信号,且该信号大于 第6期 李长源:环栅型宽带多波束相控阵天线初探 ・441・ 主波束所接收的信号。因此,环栅型相控阵天线产 生的多波束是同时的,波位也是随着主波束的扫描 而伴随的,且偏波束对主波束不产生任何负面影 响。现对两者的波束偏移因子进行研究,设抛物面 和环栅型相控阵两天线的曲线及坐标如图3所示。 总= 。+Jiz)・七。+(1J『i:=-二_ ).k+ph 。) (6) 将不同的x0值(从~D/2至D/2)代入式(6),即 可求得环栅型相控阵天线口径的相位差。 由式(3)和式(6)求得馈源偏置d时的天线 口径相位差如图3所示,由图可知,不管馈源偏置 d为Wreal还是6wmill,可以得到下列几点结论: 环栅型相控阵天线和抛物面天线馈源偏离焦 点相同时,天线口径产生的相位误差曲线几乎相 等,所以环栅型相控阵受能面为抛物面时完全具有 (a)抛物面 (b)环栅阵 抛物面天线偏馈时的扫描特性。 两种情况下口径相位误差的线性度都非常好, 说明天线扫描之后具有较理想的次级方向图。随着 偏置距离d的增加,口径相位误差的斜率也随之增 大,次级波束偏离天线口径法向更多,且线性度逐 步降低。 图3抛物面和环栅型相控阵信号传输图 图3中虚线为偏焦扫描,实线为主焦馈电。由 图可知,抛物线的方程为:Y =4 ,经解析分析 并推导可得到(过程省略),从偏焦点(F,. )发 出的球面波经抛物线反射之后到达口径的总相移 为: 栅=( 】+ 2)K (3) 由口径相位误差,我们可以近似求得天线工作 在厂GHz时,次级波束偏轴的大小,即 0=arcsinfl 360J。 D I .式中,尺1为从偏焦点(,,. )到抛物线的距离, 2为抛物线到口径的距离,对上式进行编程,即可 曰/ 一 得到 从一D/2至D/2时抛物线口径的相位差。 同样对图3(b)中所示的环栅型相控阵天线也 可求解偏置馈电时口径的相位差。 设图3(b)中受能面方程仍为抛物线y2=4Fx, 但从主焦点F处发出的射线经抛物线后向x的负向 传输,且有下式等相位方程成立: ://l ∞ 7 / // m ~ 。— {/ /_/ 。// 。—/_ 30m /%/二 ,/ .——信 mm / 7/ /一 三 /—————_ 一一 ——— } m 一 √ -==_丽.七+ 。+ ). +ph(y。):F.k+ . (4) 式中,k为电磁波在空气中的传输因子, 为电波 在环栅型相控阵天线中的传输因子,h为环栅型相 图4 6环栅型相控阵通道R组件的校准自检 环栅型相控阵的馈源共有7只馈电喇叭,7只 馈电喇叭的分布位置如图5所示。它们分别与7个 控阵天线的中心厚度,天线各点( 0,Yo)处非相 扫时的相移量为: 接收机相连,其中心馈源1号为主通道,相控阵天 线的布相及波束扫描都是以它为基准。2号和3号 通过比较可以得到角度信息,同时它们也可进行目 p 。):(F一√ 。==。丽・七)・七一 ・ (5) 馈源为俯仰差通道,4和5号馈源为方位差通道,当馈电点偏离主焦点时,则天线口径的相位移 为: 标搜索,6和7号馈源为方位偏波束,它们不但可 以进行方位广角目标搜索,也可参与方位的精密跟 ・442・ 现代导航 2011在 踪。 达中心馈源1号的电压传输系数,而 是经缝隙 及周边泄漏时的传输系数,现取发射天线的输出电 压 =1,则l号馈源得到的电压成为: 图5馈源组合的分布图 7通道幅相校准是这种多通道雷达系统必不可 式中, 1 ̄Ⅳ(Ⅳ为单元总数)但不等于 , =l~∞, 少的,而在环栅型相控阵天线中加入校准则非常方 便。环栅型相控阵单元的排列是按径向等间距和沿 弧等长设置的,所以在阵面的中心可以设计一个有 说明泄漏通道有无限个,由式(8)可知,当其它 Ⅳ 源T组件,该T组件可以从辐射的受能面以波导口 径输出,也可由辐射面以同轴输出,通道校准和单 元检测原理如图6所示。 环栅阵 \ 、、 / 、 \r————一( 反 、 /、l1、 、、 射 、、 .i 器 ’s , ,。/ f t/ f | t , , f / , 曲寻 Ⅳ∑ 测一— 6 + 圆 ,I0 uK 1 涌{首托 准圆 图6通道校准和单元检测原理图 7只馈源的组合体位于环栅型相控阵抛物受能 一 0 面一侧的焦区,1号馈源处于环栅型相控阵列的轴 + ., 线上,且其它馈源组具有对称性,当进行通道校准 一 ∑ 时,阵列中心的T组件单元向着馈源组辐射信号,0 ., 所有馈源组收到该信号后可进行幅相校准,也可相 对于中心1号馈源进行相关性幅相校准。 当需要对环栅型相控阵各单元的移相器和低 / 噪放大器进行检测时,可以将一有反射器的振子接 8 、●, 到辐射面一侧的中心T组件上并打开1号馈源的接 收机,关闭阵面上所有单元,仅开第k号单元,变 换k号单元的移相器,即可测得k号单元的电压传 输系数 。这种单元检测方式为开放式通道,若 阵面上的单元关闭不佳或缝隙及周边可泄露电磁 波时,则1号馈源测得的电压信号为: 其中, 为单元检测发射源天线的输出电压, 0,为 发射天线经辐射面空间至f号单元再经受能空间到 单元关闭不佳或∑ 。 ≠0或泄漏通道太多或 i=1 ∑ 。,≠0时,则七号单元所有相移量有下式成立: j=l oIb(ok=arc MR≠ 】=[22.5 ̄,45 ̄,90 ̄,180 ̄](9) e 。式中, ]为k号单元在分 工作频率上的标准相 移量。由此可知,除k号单元外,只有: So :0 Soj=0 (10) 或 _0 0 0,=0 (11) _・ __ 或 N-1 l牵一颦 Re∑ Re∑_0, 成立时,才有下式 :(Pk】 (13) 要想得到式(13),要求式(12)成立非常困 难,必须从基础做起,尽可能的使式(10)、式(11) 成立,即将所有R组件的关闭做到最好,这就要求 R组件关闭时为完全隔离的状态,同时将阵面上的 缝隙设计的最小,消除发射源与1号馈源的缝隙耦 合,再将馈源组与受能面之间的周边空间进行电磁 屏蔽,这样所得到的k号单元某态的移相量就基本 上等于其标准态的移相量。 第6期 李长源:环栅型宽带多波束相控阵天线初探 ・443・ 5结论 环栅型相控阵天线在满足雷达系统性能的前 [I1] 束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M】.北京:国 防工业出版社,2007 【2】 路志勇,武伟.一维相控阵通信天线设计【J].中国电子 科学研究院学报,2010,5(4):351-353 提下最大化地减少可控单元的数目。用七个馈电喇 叭、三干个阵列单元完成方位、俯仰的差波束,可 以完成方位广角目标搜索和方位的精密跟踪。环栅 【3】 罗耀辉,李正军.宽角扫描相控阵天线有源阻抗的计算 [J].空间电子技术,2009,(4):84—87 型相控阵天线用非周期性排列和单元因子对阵列 栅瓣进行有效抑制。 参考文献: [4] 高世超,毕红葵.一种相控阵天线波束展宽方法研究[J] 舰船电子工程,2009,29(12):110.113 [5 5]单福悦,未连保,李彬等.相控阵天线栅瓣效应与规避 [J].无线电工程,2009,(12):7-9 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、~、、、 、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、’ 978-1-4244-4819,2009. (上接第446页) [5】 Chair R,Mak(:.L.,Lee K.E,Luk K.M.,Kishk A.A. Miniature wide-band half U-slot and Propagation[J]. 参考文献: Kin-Lu Wong.Compact and Broadband Microstrip IEEE Transactions on ntenAna and Propagation.2005,53 2645 2652 Antennas[M].New York:John Wiley&Sons.2002. L.Ooi and Q.Shen.A novel E—shaped broadband 【2】 B.【6】F.Yang,X.X.Zhang,X.Ye, and Y.Rahmat—Samii, Wide-band E-shaped patch antennas for wireless microstrip patch antenna[J].Microwave Opt.Techno1. Lett.2000,27(5):252—348 A.Matin.M.A.MoM Ali.Design of Broadband 【3] M.communications[J],IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(8):1094—1100 [7】 S.Haykin.Adaptive Filter Theory(4th edition)[M].New York:Prentice Hal1.Engleeood Cliffs,2002 Stacked E-shaped Patch Antenna[A].IEEE Transactions on Microwave and Millimeter Wave technology,2008 [4】 Pramod Kunmar.M,Rajeev Jyoti,Sagi Sravan Kumar, VSK Reddy.Simplified and Eficifent Technique for Designing of Broadband Patch Antenna[J].IEEE.