低成本风廓线雷达相控阵天线设计

王永华 赵迎超

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在现代生产生活中，灾害性气象影响巨大，对其进行监测是非常必要的，风廓线雷达是近年重点发展的一种气象监测雷达［1］所示，它利用大气湍流对电磁波的散射作用，对大气风场等物理量进行探测，主要用于高空大气风廓线的监测。风廓线雷达天线经历了从反射面天线到相控阵天线的发展，以实现对大气风廓线变化的快速监测［2］。现代风廓线雷达相控阵天线波束扫描要求，在两个相互正交的方向上和铅垂方向对大气风廓线进行测量，铅垂波束与偏离波束的交角为16°，天线波束效果如图1所示。为实现风廓线天线波束扫描特性，一般要求(无源或有源)采用分布式馈电来实现阵列波束扫描，每个辐射单元(或线阵)都连接一个移相器(或T/R组件)，天线阵列结构复杂，成本高昂。本文通过开关、移相器、功分器相结合，设计出一种结构简单，低成本的相控阵天线波束控制网络［3］;同时天线线阵采用微带驻波阵形式［4-5］，简化了辐射单元间连接结构，两种方法相结合降低了风廓线雷达天线成本与结构复杂度。

1 风廓线天线设计

风廓线天线主要由波束控制系统，辐射阵面组成。波束控制系统通过对移相器状态的改变，使得每一个辐射单元得到相应的馈电相位，形成所需要的阵列波束。辐射阵面由两维正交的驻波阵线阵组成，采用微带驻波阵线阵形式，减少了辐射单元间连接电缆，简化了天线结构。对辐射单元采用周期同相馈电，大大减少了移相器数目，同时采用开关、移相器、功分器相结合的方案，简化了波束控制系统。

图1 风廓线雷达波束示意图

1.1 驻波阵线阵设计

驻波阵功分器设计是驻波阵天线设计的核心。驻波阵功分器在等效电路上是一种串并联结构形式，通过调节传输线特性阻抗比值，可以实现驻波阵功分器功率分配端口电流的调节，从而实现线阵需要的电流口径分布。

驻波阵功分器基本结构单元如图2所示，两个相邻功分支路输出端口1与输出端口2间由两级四分之一介质波长阻抗变换段(特性阻抗值第一节为Zc1，第二节为Zc2)和一段二分之一介质波长主传输线(特性阻抗值为Zc)组成。输出端口1和输出端口2间的传输线距离保持一个介质波长，以保证输出端口1与输出端口2馈电相位相等。阵列辐射单元辐射电阻相等，通过式(1)和式(2)调节这两段四分之一变换段的特性阻抗值Zc1与Zc2之比，就可以调节两个功分支路输出口的电流值之比，依次类推，可以很方便的得到线阵需要的电流口径分布。

U1为加载在输出端口1上的电压;U2为加载在输出端口2上的电压;I1为加载在输出端口1上的馈电电流;I2为加载在输出端口2上的馈电电流。

驻波阵线阵由十八个耦合馈电半波振子和一分十八驻波阵功分器组成，阵列口径电流幅度分布按-25dB泰勒分布。

驻波阵线阵结构见图3，在HFSS软件中建模仿真计算，线阵中心频点方向图见图4，驻波见图5。

1.2 波束控制网络设计

图2 驻波阵功分器基本结构单元

图3 驻波阵线阵结构

图4 驻波阵线阵中心频点方向图

图5 驻波阵线阵驻波

本风廓线雷达相控阵天线为开关切换时分五波束阵列天线。阵列波束控制系统由功分网络，开关与移相器，波控机等组成。通过配相设计减少移相器与开关数目，降低波束控制系统复杂度是本天线配相设计的主要目标。阵列在行和列上，辐射单元采用周期同相馈电方法可以降低天线成本，减小波控系统复杂度。所谓周期同相馈电是指阵列波束扫描时，在对应的行或列上调整天线单元间距，使得多个天线单元辐射电流同相，从而共用一个移相器的技术。

1.3 阵列辐射单元配相设计

根据天线波束宽度要求阵列由18×18个辐射单元等间距布阵组成。在行和列上阵列扫描波束指向偏离阵面法线16°，采用周期同相馈电法，以五个单元为一个360°相位周期，单元相差72°，单元间距168.74mm，每一行(或列)18个辐射单元分为4个相位周期组，每一组阵列单元馈电相位完成一个360°相位周期，每一组辐射单元数目分别为:5，5，5，3。阵列行或列辐射单元相位分布见表2，由表2可知:线阵辐射单元序号为1，6，11，16的阵列单元为同相馈电可以共用一个移相器，序号为2，7，12，17的阵列单元为同相馈电可以共用一个移相器，序号为3，8，13，18的阵列单元为同相馈电可以共用一个移相器，序号为4，9，14的阵列单元为同相馈电可以共用一个移相器，序号为5，10，15的阵列单元为同相馈电可以共用一个移相器。阵列在两个个维度上实现雷达系统要求的5个阵列波束扫描。对移相器移相要求为:一号移相器移相状态:0°;二号移相器移相状态:0°，±72°;三号移相器移相状态:0°，±144°;四号移相器移相状态:0°，±216°;五号移相器移相状态:0°，±288°。

阵列波束指向偏离阵列法线-16°时，阵列行或列纬度上辐射单元电流相位分布如表1所示。

表1 阵列辐射单元相位分布

2.2.2 功分移相网络组成

风廓线雷达功分移相网络由功分器，移相器，开关，同轴电缆等组成，结构框图如图6所示。移相器在波控机和激励器的作用下，通过对各射频通道的信号相位进行调制，实现天线波束在空间的电控扫描。

图6 波束控制系统示意图

2 天线仿真计算结果

风廓线雷达天线由18×18个辐射单元组成，给定每个辐射单元相应波束指向的电流幅度和相位分布，辐射单元方向图与阵列阵因子相乘就得到了阵列扫描方向图。考虑到天线安装状态以及移相网络的不一致性，辐射单元电流相位分布加入±5°的随机误差，图7是阵列的法线指向波束和偏离法线扫描波束方向图。

图7 阵列法线波束与扫描波束

3 结束语

通过周期同相馈电法与单元线阵采用驻波阵形式，本文提出了一种风廓线雷达相控阵天线设计方法，在满足雷达系统对天线波束扫描要求的情况下，降低了天线系统的复杂度与成本。在工程上有一定的使用价值。

［1］蒋凡杰.一种风廓线雷达相控阵天线的馈电网络设计.中国电子科学研究院学报［J］，2008，3(2):165-168.

［2］ 胡明宝，贾晓星.风廓线雷达有源相控阵天线的设计与实现.解放军理工大学学报［J］，2009，10(3):84-89.

［3］林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［4］张钧等.微带天线理论与工程［M］.北京:国防工业出版社，1988.

［5］顾其诤，项家桢，袁孝康.微波集成电路设计［M］.1978.