一种测向阵列天线的研究

王雁涛

（海军装备部驻重庆地区军事代表局，重庆 610036）

0 引 言

在传统交叉波束测向中，运用90°移相方法能够合成左、右交叉波束，其交点电平稳定地维持在“和”波束最大电平-3dB处，此方法形成的交叉波束测向要利用和、差波束划定粗测向区域才能保证交叉波束测向唯一性，实现较高精度测向；而阵列测向波束形成网络由3dB的90°定向耦合器完成。但基于3dB的90°定向耦合器的相位特性，合成左、右交叉波束副瓣电平较高，约-5～-6dB，波束形成网络幅度不一致，导致形成的左、右交叉波束幅度不一致，引起交叉点电平不能保证恒定，从而影响测向误差［1］。

另一种经典的交叉波束测向方法是设计天线的波束在宽频带范围内基本恒定，通过一定值机械安装角度实现波束比较恒定交叉，优点是天线单元间没有相位关系，不存在波束畸变，且副瓣电平较低，但要求波束恒定度非常高。通过控制喇叭天线口径场的平方率相位差，在微波频段实现天线单元波束基本恒定［2］。但在分米波频段，由于天线单元为线天线，实现波束恒定困难，基本上频率变化1倍，波束宽度也变化1倍，其交叉点电平为-2～-10dB，变化较剧烈，无法满足使用要求。因此，在线天线阵列中，有必要研究一种方法既实现交叉波束降低副瓣且保证波束交叉点电平基本恒定，又不需要和、差波束划定粗测向区域实现高精度测向。

1 测向阵列天线的设计

通过对阵列天线辐射特性研究，提出采用多路功率合成／分配网络和不同相移量的多路微波Schiffman移相器组成波束形成网络对阵列馈电，合理取舍阵列间距，并控制移相器移相量的大小，能基本保证交叉波束点恒定，并能将测向阵副瓣控制在-10dB以下，采用心脏型差波束副瓣抑制阵列解决测向天线阵超宽带副瓣抑制问题。

1.1 超宽带偶极子天线设计

天线阵元采用一种套筒加载的宽带偶极子天线，该振子天线由SMA型同轴线馈电，经一个“八”字形状同轴——振子平衡变换器后，将同轴横电磁波（TEM）馈电给偶极子天线。该偶极子天线属于一种经典半波振子天线变形，常规的半波偶极子只能在较窄频率带宽内工作。为展宽天线工作带宽并缩小振子天线尺寸，在半波偶极子天线馈电中心采用了套筒加载措施，在振子末端采用了容性加载方法，十字形的翼片可以缩小偶极子长度。为进一步展宽天线带宽，缩小天线尺寸，在常规套筒加载的基础上，进一步采用了∏形金属盒和三角形金属块进行加载。为提高天线单元的增益，本天线还在馈电平衡架末端引入了一个金属反射板，该反射板的作用与八木天线的反射器是一致的，可以明显提高辐射天线增益。精确设计的加载型半波偶极子天线，其辐射方向图类似于惠更斯元辐射方向图，是一个宽波束、近似心脏型的方向图，非常适合作为天线阵列阵元。在使用时，阵元按斜45°极化方式安装使用。图1为阵元结构图，图2为阵元典型频率辐射方向图计算值。

图1 天线阵元结构图

该套筒加载偶极子天线已研制成功，其半功率波束宽度为60°～110°，天线增益大于4dB，适合作为阵列天线阵元。

图2 天线阵元典型频率方向图计算值

1.2 测向阵列和副瓣抑制阵列设计

通过2个天线子阵达到5∶1工作带宽，每个测向子阵天线均由6个超宽带套筒加载的偶极子天线和微波波束形成网络组成。其中微波波束形成网络由微波功率合成／分配器构成0°、22.5°、45°、67.5°、90°、135°和 0°、-22.5°、-45°、-67.5°、-90°、-135°两组固定微波移相，分别给阵列单元馈电，合理选取阵列间距，将交叉波束点电平基本控制在-3dB附近。

模拟理论分析表明能够将测向天线副瓣控制在被副瓣抑制天线所切除范围内，图3为测向天线阵原理图。

图3 测向天线阵原理图

其理论分析计算式为：

式中：Eo（θ，f）为套筒加载偶极子辐射场强；f为工作频率；d为阵元间距。

在频率低端测向天线阵列中，阵列间距取0.48λo，在频率高端测向天线阵列中，阵列间距取0.513λo（λo为各子阵中心频率波长）。

副瓣抑制天线阵列由一个三角形阵列构成，图4为副瓣抑制天线阵的原理图。其中前向两元分别左右各倾角30°实现对前向测向阵列副瓣抑制，后向180°方位空域由一个后向套筒加载偶极子天线覆盖。计算可知，该天线基本能够满足副瓣抑制要求，若个别频率不能满足要求，可以通过数字化接收机算法处理或在系统上将另一组阵列天线的副瓣抑制天线阵共同使用，完成测向阵抑制远区副瓣问题，由于测向阵列后向副瓣较低，一个套筒偶极子可以解决后向副瓣抑制问题。

图4 副瓣抑制天线阵原理图

为解决3个天线单元间距较大，在波束合成过程中相互干涉的问题，在各阵元输入相位上引入了不同相位差，基本可以保证副瓣抑制方向图出现干涉波束零深，在设计时已考虑波束形成网络各自的端口和网络损耗。前向副瓣抑制计算公式为：

式中：±30°为前向阵列单元的左右倾角；d为阵元的间距，在频率低端的副瓣抑制天线阵间距为0.64λo，在频率高端的副瓣抑制天线阵间距为0.933λo（λo为中心频率的波长）。

图5为典型频率测向阵列和副瓣抑制阵列方向图计算结果，从图中可知，测向阵列满足测向左、右交叉波束交点电平及副瓣抑制要求，图6为测向阵列组件的结构示意图，图7为测向阵列组件波束实测图，表1、表2为方位面波束计算值与实测值，满足测向系统对波束宽度的要求。

图5 测向阵列和副瓣抑制方向图计算值

图6 测向阵列组件构成示意图

图7 测向阵列组件波束实测图

表1 低端阵列测向面波束宽度计算值与实测值

表2 高端阵列测向面波束宽度计算值与实测值

2 结束语

由表1、表2和图7实际阵列的波束测量结果可以看出：交叉波束的交点电平非常稳定，天线阵列组件测向精度在0.5°（rms）以内，远低于2°（rms）的技术要求，较好地解决了交叉波束测向。既要求交点电平恒定，又要求天线方向图副瓣较低的要求，尤其当天线阵安装在舰船上，由于天线测向精度是由阵列及波束形成网络决定，受船体摇摆影响较小，在舰船上使用比常规交叉波束测向具有更大优势。

［1］ 唐益民.天线交叉波束指向误差分析［J］.电子对抗技术，2001（2）：27-30.

［2］ 唐益民.非平面波介质透镜及最佳跟踪喇叭［J］.电子对抗技术，1997（02）：53-54.