SELEX ALE-9与 INDRA CSL-M 天线分析比较

□ 民航宁夏空管分局 刘 帅 秦姗姗/文

本文分析比较空管二次监视雷达SELEX ALE-9天线和INDRA CSL-M天线的物理结构和馈电网络，绘制和差波束水平波束图，从原理上计算两天线的波束带宽、旁瓣电平、零值深度等参数。最后根据和差波束水平波束图，计算ALE-9于CSL-M天线的OBA曲线，分析比较两个OBA曲线鉴角性能，为深入了解空管二次监视雷达天线原理和性能提供了帮助和借鉴。

随着民航事业的发展，民航监视业务也随之发展，在区域管制区和终端区大量部署了二次监视雷达，其中意大利SELEX公司的 SIR-S/SIR-M 型二次雷达和西班牙INDRA公司 IRS 20MP/L 型二次雷达都有大量安装，两者均能提供优异的监视服务。SELEX雷达采用ALE-9型天线，INDRA雷达采用CSL-M型天线，ALE-9与CSL-M天线在结构和馈电分配上均有很大的差异，由此产生的天线和差波束水平覆盖也不尽相同，单脉冲二次监视雷达偏离角(OBA,Off-Boresight Angle)表定义为天线差波束对和波束归一化的幅值大小，OBA的准确性对于测角精度至关重要，由于ALE-9与CSL-M天线结构和馈电上的不同，导致其OBA表也不相同。本文通过分析ALE-9与CSL-M天线物理结构和馈电系统，比较了两个天线和差波束的性能指标和OBA曲线的优劣性。

ALE-9与CSL-M天线馈电结构分析

民航二次空管监视雷达天线为直线阵列阵，由N条列馈组成，N条列馈沿水平分布，形成和波束、差波束和控制波束的水平覆盖。每条列馈垂直分布有10个或者11个偶极子，形成天线波束的垂直覆盖。天线的控制波束用于询问旁瓣抑制和接收旁瓣抑制，和波束用于询问目标，差波束主要用于单脉冲技术。

SELEX ALE-9 天线阵列由36根直线阵列组成，天线前面从左到右共35根辐射柱，天线背部1根辐射柱。其中1至35所有列馈形成和波束，1至17，19至35形成差波束，第18根列馈不参与差波束形成，它与天线背部1根列馈共同形成控制波束。ALE-9天线馈电结构由2个10端口功率分配网络、2个8端口功率分配网络和10个环形电桥构成。INDRA CSL-M天线阵列由33根直线阵列组成，天线前面板从左到右共35根辐射柱，天线背部1根辐射柱。其中1至33形成和波束，1至16，18至33形成差波束，第17根辐射柱和背部辐射柱形成控制波束。CSL-M天线馈电结构由1个主分配矩阵、1个次分配矩阵和16个列馈功分器组成，其中列馈功分器为三端口器件，按衰减值不同分为D1、D2和D3三类。

ALE-9与CSL-M天线馈电物理结构主要不同在ALE-9天线列馈左右两两对称，比如（1，35），（2，34），（17，19）列馈馈电相同，而CSL-M天线则左右四根列馈对称，如（1，2，32，33），（3，4，30，31），（15，16，18，19）列馈馈电相同。

ALE-9与CSL-M天线波束分析

ALE-9与CSL-M天线均为直线阵列。按照天线波束形成原理可知θ方向处远场场强Pθ为每根列馈在此方向上的场强矢量和。第i根列馈场强与第一根列馈场幅度比值由天线内部结构功率分配网络决定，相位差分为两部分：一部分为固定相位差，另一部分为路程差引起的相位差。

ALE-9与CSL-M天线和波束均为所有阵列同相馈电，所以固定相位差取0。差波束第1至N/2左半列馈阵同相位，固定相位差取0。N/2至N右半列馈同左半列馈反相位，取固定相位差为π，中间一根列馈不参与差波束的形成。为了抑制副瓣，ALE-9 天线和CSL-M天线阵列和波束均由Taylor幅度加权形成，差波束均由修正的Bayliss幅度加权形成，两个天线的Taylor权和修正Bayliss权如表1所示。

表1：ALE-9与CSL-M天线和差波束馈电分布

图1，图2为按表1幅度馈电后ALE-9与CSL-M天线和波束和差波束水平方向图。根据馈电幅度分布，理论计算得ALE-9天线3dB波束宽带为2.52°，10dB波束宽度为4.428°，20dB波束宽度为5.94°，第一旁瓣小于主瓣 33.115dB，差波束零值深度36.6935dB。CSL-M天线3dB波束宽带为2.556°，10dB波束宽度为4.428°，20dB波束宽度为5.796°，第一旁瓣小于主瓣 31.40dB，差波束零值深度36.3209dB，满足MH/T 4010-2006《空中交通管制二次监视雷达设备技术规范》的相关要求。ALE-9与CSL-M天线两者和波束3dB带宽、10dB带宽基本相等，ALE-9天线比CSL-M天线20dB带宽宽0.145°，第一旁瓣低1.715dB，零值深度高0.372dB。同时可以看出，ALE-9天线差波束副瓣明显比CSL-M天线差波束副瓣多，ALE-9天线和波束在很大的角度范围内高于差波束，CSL-M天线的差波束在±40°左右时旁瓣有很大的突起。

OBA鉴角曲线比较

OBA曲线定义为差波束对同角度和波束的归一化曲线。用dB表示归一化曲线，即当前角度差波束与和波束的差值。二次监视雷达测量目标角度为探测到目标时的雷达编码器角度和OBA值对应的偏离瞄准轴的角度之和。和差两路信号经过鉴相器，判别目标在天线瞄准轴的方向，若目标在雷达天线左半边，则OBA为负值，若目标在雷达天线右半边，则OBA为正值。

鉴角曲线的有效值一般为和波束3dB波瓣宽度，SDR为差波束与和波束幅度之差。OBA表即在3dB波束宽度内的角度和其对应的SDR值。在实际应用中比较差和波束的幅值，通过查表即可得到目标偏离瞄准轴的角度。图3为ALE-9和CSL-M天线在-1.2°至1.2°范围内的SDR曲线，蓝色线为对数值，红色线为转换过后的倍数值。依据ALE-9与CSL-M天线和差水平波束，ALE-9 天线SDR范围为（5.605，44.631）dB， 动 态 范 围 39.026dB，CSL-M天线SDR范围为（2.873，41.12）dB，动态范围为38.247dB，可以看出对于相同的 SDR，CSL-M天线能够对应的角度范围更广，即角度分辨率更大。

结语：

本文分析比较了ALE-9与CSL-M天线的物理和馈电结构，通过Taylor权和修正Bayliss权绘制了和差波束水平波束图和OBA曲线，分析比较了两个天线和差波束的参数性能和OBA鉴角能力。文章所分析到的原理和实践应用，对于维护这两类天线具有一定的指导和帮助意义。