弹载主被动复合雷达天线配置方案

刘永

弹载主被动复合雷达天线配置方案

刘永

（海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，南京210006）

针对弹载雷达发展需求，探讨了实现弹载主被动复合雷达天线的技术途径。针对双频反射面天线，提出了一种双频反射面天线的配置方案；针对宽带复合天线，研究了被动模式宽带天线的选型和主动模式天线的设计方案，提出了宽带复合天线的配置方案。

弹载雷达；复合天线；宽带天线

弹载雷达是面向寻的制导应用的一类雷达系统，由于弹上空间和资源的限制，通常要求在提高探测能力的同时具有体积小、功耗低的特点。随着弹载雷达探测能力的扩展，对弹载雷达天线提出了更多需求。

弹载雷达的探测目标通常为非合作目标，随着战场环境的日趋恶劣，为满足获取更多的目标特征、提高弹载雷达寻的制导过程中的目标识别能力、突防能力和制导精度的需求，采用主动/被动雷达复合系统已成为弹载雷达系统的重要发展趋势。对主动/被动雷达复合寻的制导系统而言，毫米波段已成为弹载雷达主动模式的常用工作频段之一，对于被动雷达工作模式，通常需要覆盖整个微波波段甚至更低。为此，需要在弹载环境下有限空间内实现可以工作在多个频段、宽频段的天线系统[1-2]。

本文针对弹载雷达发展需求，探讨了实现弹载主被动复合雷达天线的技术途径，主要包括双频反射面天线和宽带复合天线。针对双频反射面天线，提出了一种双频反射面天线的配置方案；针对宽带复合天线，讨论了被动模式宽带天线的选型和主动模式天线的设计方案，并在此基础上提出了宽带复合天线的配置方案。

1 双频反射面天线

弹载主被动复合雷达采用双频天线时，弹载雷达的主动和被动模式均工作于不同的窄带频段，分别实现2个频段的目标信息探测，如主动模式实现目标运动学参数的探测，被动模式实现目标在特定工作频段所辐射（发射）微波信号的探测。

通过贴片天线单元的双频段设计，利用微带天线阵可以方便实现天线的双频段工作，但由于功率容量的限制，目前在弹载雷达中尚未得到广泛应用[3]。利用反射面天线技术实现的双频段复合天线如图1所示。主动模式和被动模式通过共用反射面，采用双波段复合多模馈源，利用波导元器件的高通特性完成被动通道信号和主动通道信号的分离，实现不同频段的复合探测；利用极化扭转技术解决副反射面的遮挡，同时将波束扫描速度相对机械扫描速度提高一倍。由于反射面的设计须要兼顾2个工作频段，一般在其中一个波段上采用振子型辅助天线对消副瓣和尾瓣。

图1共用反射面的双频段复合天线Fig.1Dual-bandantennawithacommunalreflector

2 宽带复合天线

主/被动弹载雷达系统宽带复合天线的被动模式采用宽带天线，主动模式采用平板裂缝天线。

2.1被动模式宽带天线

被动模式的宽带天线阵元可采用有自补结构或近似自补结构的天线单元构成，主要有螺旋天线、曲折臂天线、对数周期天线等[4-9]。

平面等角螺旋天线有2个臂，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有2条边缘线，均为等角螺旋线。当对2臂的始端馈电时，可以把2臂等角螺旋线看成是一对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射边衰减。实验表明，臂上电流在流过约一个波长后就迅速衰减到20dB以下，终端效应很弱。因此，辐射场主要是由结构中轴长约为一个波长以内的部分产生的，这个部分通常称为有效辐射区，传输行波电流。换句话说，螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们不会对保留部分的典型能造成显著影响，因而可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。

图2 具有自补或近似自补结构的宽带天线Fig.2 Wideband antennaelementsw ith self-compensation structure

阿基米德螺旋天线的2个螺旋臂方程分别是阿基米德螺旋线，天线主要辐射是集中在周长约为λ的螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽频带特性。虽然这一天线可以在很宽的频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线。因为电流在工作区后不明显减小，因而不能满足截断要求，必须在末端加载，以避免波的反射。

曲折臂天线是在一个平面上用2个或4个旋转对称的曲折线导体臂制成。与平面螺旋天线最显著的区别是曲折臂天线的辐射臂矢径围绕原点顺时针和逆时针转动，并保持一定规律。换句话说，也就是每段螺旋线先运动一定角度，然后再向相反方向运动相同角度，各臂交错隔开，容纳在2个相同的曲折线的区域中，因而具有自补特性，可在宽频带范围内工作[4]。

平面对数周期天线的设计思想基于相似原理。当天线按某特定比例因子τ变换后，仍与其原来结构相同，则天线在频率τf和 f时性能相同。选择合适的齿宽和槽宽，对数周期天线可以实现自补结构，具有宽频带的特性。

螺旋天线、对数周期天线和曲折臂天线辐射的电磁波通常是圆极化，曲折臂天线可以实现全极化接收。对于上述结构的宽带天线，其辐射通常是双向的，为实现单向辐射，通常采用背腔结构和圆锥结构，如图3所示。

图3 背腔螺旋天线和圆锥螺旋天线Fig.3 Cavity-backed spiralantenna and conicalspiralantenna

对于被动模式的宽带天线，频带的最高频率和最低频率所对应的波长相差较大，而天线又是分区辐射的，要在整个频段内做到同相反射极为困难，因而理想的反射腔设计是很难的。如果反射腔设计得不好，会影响到天线在整个工作频段内的增益和阻抗特性，常用的反射腔有如图4所列举的3种[10]。对于2∶1频带宽度，反射腔可采用平底腔，腔深约为中心频率对应波长的1/4。腔体直径与螺旋线外径相同，如图4 a）所示。带宽大于2∶1的宽频带天线，宜采用如图4 b）和4 c）所示的反射腔。

图4 3种反射腔结构Fig.4 Three structure of reflectcavity

实现宽频带天线时，自补结构并不是必须的[11-15]，利用介质材料制成的杆状天线也可以达到较宽的工作频带[16-18]。利用同轴线馈电的介质杆天线结构如图5所示。电磁波大部分能量被束缚在介质杆表面，以表面波的形式在介质杆表面向介质杆轴线方向传播，表面波的传播速度近似等于电磁波在介质中的传播速度。由于介质的相对介电常数大于1，因而表面波的传播速度小于电磁波在空间中的传播速度，即表面波可视为等效慢波。与透镜天线类似，在介质杆不同位置处的表面波单元作为次级波源向空间中辐射电磁波。当长度满足一定条件时，从介质杆不同位置辐射出的电磁波到达与介质杆终端时射径电长度相同，并同相叠加，最大辐射方向在介纸杆的轴线上。

图5 同轴线馈电介质杆天线Fig.5 Coaxial feed dielectric rod antenna

介质杆天线相对带宽可超过33%，即达到2∶1的工作频带。介质杆天线的应用范围很广，可以从厘米波段一直应用到亚毫米波波段。

2.2主动模式平板缝隙天线

随着寻的制导雷达对抗干扰性能需求的提高，要求天线应具有低副瓣或超低副瓣的性能。缝隙阵列天线对口径面内的幅度分布容易控制，口径面利用率高，体积小，易于实现低副瓣或超低副瓣，因而在寻的制导系统中获得广泛应用，是实现低副瓣天线或超低副瓣天线的优选形式。

在寻的制导或机载雷达等位于载体头部用于目标跟踪的系统中应用时，天线通常采用谐振阵列形式。通常为减小天线体积和重量，常采用减少波导窄边尺寸的办法，制成半高或1/4高波导，谐振阵列所使用的馈电网络和缝隙阵面结合在一起，因其纵向尺寸较小，外形像平板，称为平板裂缝天线。一种典型的平板裂缝天线结构如图6所示。

天线阵面划分为4个象限，每个象限包括4个子阵，每个子阵包含一定数量辐射波导，每根辐射波导宽边按口径激励幅度分布的要求开宽边纵向偏移缝隙。辐射缝交叉位于辐射波导中心线两侧，相邻辐射缝间距为半个波导波长。天线的每1个子阵由1根耦合波导进行馈电，且每根耦合波导上耦合缝数量与对应子阵辐射波导的数量相等。耦合波导与辐射波导正交共壁，并在共用壁开耦合缝，相邻耦合缝间距为半个波导波长。

馈电网络由功分网络、和差器及接口调整波导组成。功分网络由2个左右对称的功分结构组成，每个功分结构由功分器级联而成。考虑天线厚度的限制，和差器采用平面魔T结构。接口调整波导将和差器的和通道与差通道调整到指定的接口位置。发射时，信号由天线和通道输入，经和差器后送入功分网络和耦合阵列，在激励辐射阵列向自由空间辐射。接收时，目标散射回波被天线的辐射阵列接收后送入耦合网络及功分网络，最后经和差器形成和差2路回波信号。

2.3宽带复合天线结构配置方案

用于毫米波主动/微波宽带被动复合雷达系统的复合天线结构配置方案有3种，分别见图7。

图7 a）所示的结构配置方案1中，毫米波平板天线阵采用单平面单脉冲波导缝隙阵列，具有独立的伺服系统。被动天线采用背腔阿基米德螺旋天线，其波束较宽，可直接与弹体捷联，天线阵列结构上采用8各阵元对称配置的方案，采用双基线相位干涉仪测向算法，满足方位向和俯仰向的被动测角需求。方案1对于被动分系统具有测向算法简单、阵列极化检测可扩展等优点，但受到基线个数的限制会导致系统相位容差较小，在较高的频段可能会出现测向错误。为了兼顾频带低端和高端的系统测向性能，图7 b）所示的方案2采用2种口径的螺旋天线阵元，其中大口径螺旋天线覆盖整个工作频段，而小口径天线覆盖高频段。螺旋天线阵的配置采用非对称配置方案，大口径全频段螺旋天线阵元为5个，小口径高频段螺旋天线阵元为3个，2种口径天线在方位向和俯仰向各用1个阵元，采用多基线相位干涉仪测向算法完成方位向和俯仰向的被动测角。与方案1相比，方案2解决了测向系统相位容差较小的问题，满足系统高频段方位向和俯仰向单脉冲测向需求，具有测向算法简单、系统相位容差性好的优点。事实上，在被动测向系统中，若能利用所用的天线阵元相位信息进行方位向和俯仰向的被动测角，将会更好地提高系统的相位容差，且在统计意义上会提高系统测向精度。图7 c）所示的方案3中，天线阵列采用7个阵元均匀圆环布局的方案，在测向方法上可采用求解联立方程组的立体基线干涉仪算法或空间谱估计算法，完成方位向和俯仰向的被动测角。相对于与前2种方案，方案3在算法上较为复杂，对于系统处理平台的要求较高。

图7 宽带复合天线结构配置方案Fig.7 Configuration ofw ideband compound antenna

3 结束语

本文研究了实现弹载主被动复合雷达天线的几种途径，包括双频段反射面天线和宽带复合天线，提出了一种双频反射面天线的配置方案；讨论了被动模式宽带天线的选型和主动模式天线的设计方案，并提出了宽带复合天线的配置方案。在导弹突防过程中，在采用主被动复合雷达获取更多维度的目标信息，提高目标识别和抗干扰能力的同时，也要考虑导弹的隐身性能。对导弹而言，天线RCS对其整体RCS有重要贡献[19-20]。因此，如何在实现主被动复合探测的同时，提高天线的隐身性能，需进行进一步的研究。另外，被动模式宽带天线带罩工作式，对天线罩透波率要求较高，如何在宽带范围内实现提高透过率，减小天线头罩引起的瞄准误差，也是迫切需要解决的问题。

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Configuration of Compound Antenna ofMissile Borne Radar

LIUYong

（Military RepresentativesOffice of Astronautical Electromechanical System ofNavy in Nanjing,Nanjing 210006,China）

Aiming at the developmentand requirementofmissile-borne radar,technology approaches to design active and passive compound antenna ofmissile-borne radarwere studied.Configuration of dualband antennawith reflectorwas pro⁃vided.Forwide band compound antenna,selection ofwide band antenna element for passivemode and design scheme of waveguide slotarray antennawere discussed,and the configuration ofwideband compound antennawasgiven.

missile-borne radar;compound antenna;wide band antenna

TN957.2

A

1673-1522（2016）02-0138-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.02.008

2015-12-25；

2016-01-19

刘永（1973-），男，工程师，硕士。