X波段宽带电子侦察线性阵列天线设计

吴铁成，杨天杨，李志坚，向 博

(1.中国航天科工集团二院，北京 100854； 2．中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

·工程应用·

X波段宽带电子侦察线性阵列天线设计

吴铁成1,2，杨天杨2，李志坚2，向 博2

(1.中国航天科工集团二院，北京 100854； 2．中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

介绍了X波段宽带电子侦察线性阵列天线设计方法，首先介绍线性阵列波束合成，然后给出仿真与实测结果，随后对结果进行分析，最后根据测试结果以及仿真结果得出结论。仿真结果显示天线性能良好，通过测试数据可以得出16个通道的副瓣电平在-15dB左右，通过计算所得0°移相和实际移相基本相吻合，以实测数据画出的天线波束图满足要求。

侦察；线性阵列；天线；有源通道

0 引言

相控阵雷达是一种高技术雷达，它具有使天线波束作无惯性扫描和对雷达的时间、能量等资源进行自适应管理的能力，可以充分发挥雷达的潜力。相控阵雷达利用电子技术控制阵列天线各辐射单元的馈电相位来改变波束指向，是客观需要以及科技发展到一定阶段的产物，也被大量应用在飞机和舰船上[1-2]。

电子侦察是一种通过截获辐射源的电磁信号并进行处理与分析，以掌握身份、技术特征、地理位置等信息的特殊侦察手段。阵列天线单元一般采用平面印刷天线形式，具有结构简单、质量轻、剖面低、易共形等优点，电子侦察在天线方面要求高增益、宽波束等，阵列天线可以很好地应用于电子侦察领域[3]。

相控阵天线技术已开始大范围地应用于电子战与导航领域。现有电子侦察技术已可做到辐射源的精确定位，但电子干扰在天线波束指向范围内无法控制干扰覆盖区域，很有可能对电子攻击目标附近区域内己方的通信和其他电子设备造成一定的影响。传统的单一功能的电子侦察装备已不再适应现代的作战环境，综合一体化的电子侦察系统更满足需求。本文设计了X波段用于电子侦察的线性阵列天线，利用相控阵天线和接收机相综合的方法，介绍了线性阵列波束合成、电扫描方向图算法等，通过HFSS软件对一维均匀线性阵列天线结构仿真得出满足系统设计要求的天线单元间距以及天线的最佳方向，可以更好了解天线的关键参数。并且给出了仿真和实测误差产生的原因以及改进措施。

1 线性阵列波束合成

相控阵雷达的发射波束图形如图1所示。

图1 相控阵雷达的发射波束

电扫方向图公式为：

(1)

阵列进行波束扫描时需要对每个阵元的相位和时间延迟进行调整。每个阵元的口径分布展开为复电压的形式为：

Am=amejΘm

(2)

当满足公式(3)时，阵因子在θ0位置具有最大值：

Θm=-(2π/λ)xmsinθ0

(3)

步进相位公式为：

Δφ=(dsinθ/λ)360°=(dsinθf/c)360°

(4)

式中，d表示天线单元间距，θ表示天线波束扫描角度，λ表示波长，c表示光速，f表示天线扫描频率，Δφ表示步进相位。

相控阵雷达天线是由许多辐射单元组成的，辐射单元可以是偶极子、开口波导、波导上的裂缝或者其他类型的天线，辐射单元都排列在一条直线上的称为线性阵列， 本文设计的线性阵列天线一共有16个天线单元规则排列组成一维均匀线性阵列通过适当激励获得预定辐射特性，小天线与电缆相连接接在天线架子上，本实验中小天线采取水平极化方式。

线性阵列天线用到的是中间16个小天线单元，这里将射频端口设计成插拔连接方式，采用一种小型稳相射频插拔器，这种射频插拔器的特点是尺寸小、相位稳定、接头有一定的浮动量。

2 仿真与实测

通过HFSS软件对线性阵列天线结构进行仿真，线性阵列天线输入回波损耗仿真结果如图2所示。

图2 天线结构仿真回波损耗截图

回波损耗(RL)和驻波比(VSWR)的对应关系为：

RL=20lg((VSWR+1)/(VSWR-1))

(5)

当RL=20dB，VSWR≈1.22时，仿真结果比较好，由图2可以看出曲线上点的纵坐标全部在-20dB以下[4]。

线性阵列天线增益仿真结果如图3所示。5条曲线是天线单元间距分别为12.2、12.6、13、13.4、13.8mm时的增益曲线，对比可以发现：考虑天线线性阵列元间距和耦合系数以及隔离度大于15dB等因素，最终选择天线单元间距13.4mm，满足系统设计要求。

图3 天线结构仿真结果增益曲线

频点为8、10、12GHz，φ=90°时天线结构仿真0°、15°、30°、60°时波束扫描方向对比图如图4～6所示。本文是X波段线性阵列天线设计，取X波段的3个频点波束扫描方向对比图，天线测试时是-60°～60°扫描，取0°～60°时的4个角度波束扫描方向对比图。

图4 8GHz天线结构波束扫描方向图

图5 10GHz天线结构波束扫描方向图

图6 12GHz天线结构波束扫描方向图

在微波暗室中测试天线，可以免受杂波干扰，提高被测设备的测试精度和效率。机箱有单独的外加电源从下面4个端口供电。机箱中的板子是1×16的通道板，16个通道板用电缆与天线板相连接，通道板的正面是放大移相组件以及很多的小组件，放大移相组件主要功能是放大功能，此外，小组件为八D触发器，特点是三态总线驱动输出置数全并行存取缓冲控制输入。通道板的反面是10个一分四功率分配器，起到功率分配的作用。实测数据如表1所示。

表1 16个通道对应的幅度以及相位值

由表1可以看出：16个通道的副瓣电平在-15dB左右，每个阵元都具有一个移相器，相位变化是频率和扫描角度的函数，0°移相表示的是移相器之间相位相差0°，实际移相是通过移相器移相使矢量网络分析仪中测出的移相器相位之差为0°。

3 结果分析

16通道0°移相和实际移相数据对比图如图7所示。可以得出：16个通道对应的0°移相和实际移相几乎吻合。根据表1实测数据和对比图5，可以得出：实测数据在0°时天线波束仿真结果和实测结果图形基本相吻合，同理在15°、30°时同样成立，设计的线性阵列天线性能良好。

图7 0°移相和实际移相对比图

仿真和实测误差产生的原因是：在线性阵列天线中，为了使每个阵元发射信号的功率在空间进行合成，必须保证每个阵元输出信号相位的相关性，空间功率合成要求各阵元相位稳定、一致、可控。但在实际系统中，由于每个阵元性能差异、电路设计和加工制造差异、设备工作频率和周围温度以及环境的变化等各种因素,每个阵元原始相位一致性很难控制。线性阵列天线每个阵元之间存在相位特性的不一致性，对最终天线的波束汇聚位置等指标会产生很大的影响。改进的措施是：对线性阵列天线每个阵元加以校准。

4 结束语

本文对3个频点、4个扫描角度画出不同频点不同扫描角度对应的波束图，利用实测数据对10GHz线性阵列天线进行了研究，对天线结构进行仿真、副瓣电平测试以及将0°移相和实际移相值画出曲线图对比，发现两组数据几乎相吻合。通过实测数据画出3个扫描角度波束对比图，和仿真结果相对比，发现该天线性能在10GHz表现良好，满足系统设计要求。同理，可以通过同样的实测方法验证在X波段频段的其他频点，可见本文提出的在X波段用于电子侦察的线性阵列天线性能良好。该设计和分析方法可以为线性阵列天线在电子侦察的应用提供参考。■

[1] 凌伟.X波段T/R组件关键部件研究[D].成都:电子科技大学,2007.

[2] 蔡庆宇,张伯彦,曲洪权.相控阵雷达数据处理教程[M].北京：电子工业出版社,2011:288.

[3] 张蓓蓓.一体化电子侦察系统中分布数据通信平台的研究与实现[D].合肥:中国科学技术大学,2015.

[4] Pozar DM.微波工程[M].张肇仪,等译.3版.北京：电子工业出版社,2006:204.

The design of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance

Wu Tiecheng1,2, Yang Tianyang2, Li Zhijian2, Xiang Bo2

(1.The Second Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation, Beijing 100854,China; 2.No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

The design way of X-band broadband linear array antenna used in electronic reconnaissance is introduced. The linear array beamforming is firstly introduced. Besides, the simulation result and test result are given, and then the result is analyzed. The conclusion is made in accordance with test result and simulation result finally. Simulation results show that the property of antenna is favorable, the minor level of sixteen channels is approximately -15dB according to test result, the zero degree dephasing is almost identical to realistic value, and a figure about antenna beam meets the requirements.

reconnaissance; linear array; antenna; active channel

2017-02-25；2017-04-01修回。

吴铁成(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电子对抗。

TN82

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