低成本宽角相频扫阵列研究

高 坤 宗 耀 张 军

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着现代雷达技术日新月异的发展，机械扫描雷达由于扫描速度慢、反应时间长而不再能满足现在很多应用场景的要求，电扫雷达就是在这样的前提下应运而生的。相频扫雷达是电扫雷达的一种，由于其波束指向可控性更强、成本更低、扫描更加快速、反应更灵敏、结构简单、重量较轻、可靠度高等优点，被广泛地应用到多方面领域[1-6]。但普通相频扫天线阵也有频扫时主波束扫描角度小等缺点。针对上述问题，本文通过对普通直波导的改进，设计了一种新型波导慢波线窄边缝隙线阵，大大增加了波导在固定频带内的频扫范围，结合该线阵设计了某波段低成本宽角相频扫阵列天线。该阵列在10%的带宽内，具有方位相扫±45°、俯仰频扫大于20°的扫描能力。通过理论仿真与实测结果可以验证，该低成本宽角相频扫阵列具备可实现性，具有很高的工程应用价值。改进后的波导缝隙阵为进一步提升雷达天线的空域覆盖能力奠定基础。

1 线阵设计原理

相频扫雷达前端阵列由天线阵面、T/R组件、单脉冲网络等组成，要求实现大角度的方位相扫，俯仰频扫的功能。相扫维需实现±45°的相扫范围，因此考虑波导线阵沿波导窄边排列组阵，实现大角度相扫功能，在波导窄边开缝，实现频扫功能。

如图1所示，形式A是普通直波导，在波导窄边开缝，为了不出栅板，应适当选取缝隙间距。对Port1端口进行馈电，大部分能量通过缝隙辐射到空间中，Port2端口接吸收负载吸收少量能量，该行波阵在沿着波导方向可实现波束随频率的扫描。结合理论分析可知，标准直波导在10%的工作带宽内仅能实现10°左右的波束频扫范围，采用压缩宽边尺寸后的直波导能够实现14°左右的波束频扫范围，而这个值也基本是普通直波导的极限值。为了进一步增加固定带宽内的频扫范围，增大在使用频率内雷达天线的波束覆盖范围，因此需要对普通直波导进行改进设计，采用慢波线形式的拐弯波导，增加相邻辐射缝隙之间电磁波传输路径，从而大大提高频扫范围。如图1形式B所示，改进后的波导可以实现大于20°的频扫范围，大大提升了波导扫描能力，为进一步提升雷达天线的空域覆盖能力奠定基础。

图1 波导频扫原理图

2 设计与分析

采用改进后的慢波线形式波导，建立如图2所示的3×5阵列模型进行提参。

图2 3×5阵列提参模型

通过电磁仿真软件HFSS，仿真分析缝隙的切割角度、切入深度随辐射电导的变化关系。并将拟合曲线作于图3中。

图3 电导与切角和切深的拟合曲线

设计俯仰维电流分布为-25dB的泰勒加权，线阵辐射缝隙30个，电流分布如图4(a)所示。根据电流分布可以得到30个缝隙的电导分布，如图4(b)所示。

图4 线阵口径分布

根据图3电导-切角、电导-切深的拟合曲线得到30个缝隙的切角与切深参数。并设计单根线阵如图5所示。

图5 改进的波导缝隙线阵

3 阵列的设计仿真与测试

3.1 组阵与仿真

某波段低成本相频扫雷达前端由天线辐射阵面、12个T/R组件、一个单脉冲功分网络和一根校准检测波导构成。如图6、图7所示。天线的中心工作频率为f0，带宽为10%。天线阵面采用波导缝隙阵列形式，由48(列)×30(行)共1440个天线辐射单元组成，每一根波导上有缝隙30个，波导缝隙阵馈电口连接12个T/R组件，并由单脉冲功分网络对T/R组件进行馈电。雷达前端示意图如图6、图7所示。

图6 阵面背视图

图7 阵面正视图

经过多次优化，仿真得到阵中线阵的驻波如图8所示。可以看出，在10%的带宽内驻波VSWR<1.6。f3频点(在雷达的实际工作中不使用该频点)对应的指向由于靠近天线零指向，由频扫天线理论可知，零指向附近对应频率点上驻波比较大，这是行波阵固有的特征，其驻波为3.7。

图8 改进波导缝隙阵阵驻波曲线

从图9中可以看出，随着频率的变化，波束的扫描范围也随之改变，f1频点对应的俯仰波束指向为-23.8°，f2频点对应的俯仰波束指向为-2.2°，能满足俯仰波束覆盖≥20°的指标要求，仿真得到中心频率f0对应的俯仰维波束宽度为3.4°。仿真得到带内大部分频带的方向图副瓣电平均小于-20dB，靠近俯仰零指向的波束副瓣有所抬高，是由于行波阵在零指向附近驻波较大，能量在波导中反射叠加后偏离理论设计，这是行波阵固有的特征。

图9 俯仰维带内归一化频扫方向图

雷达天线在方位维需实现±45°的相扫范围，需要关注波导线阵H面的方向图特性。对阵中单根波导馈电，得到f0频率的H面方向图如10所示。

图10 波导线阵H面方向图

H面方向图的3dB波束宽度约为88°，同样观测f1-f2整个频带内的H面方向图，带内方向图波束宽度均大于80°，波束平滑无凹陷，因此在10%的频带内能够实现方位维±45°的相扫功能。下面给出f0频点扫描±45°时的理论和差方向图曲线如图11所示。

图11 方位面扫描方向图

方位面口径分布选择副瓣电平为-28dB的泰勒分布，单元间距为d，单元数为48，理论计算中心频率点上方位面第一副瓣电平-28.27dB，差波束零值深度-50dB。

3.2 测试结果

通过在近场系统测试初相、进而配相，使得雷达前端系统按设计要求保证其技术性能。将雷达天线架设于远场测试系统中，测试雷达天线的俯仰维频扫方向图如图12所示。

测试雷达天线f0频点(中频)方位维相扫的和差波束如图13所示。

图13 相扫±45°测试和差方向图

从图13的测试结果可以看出，雷达天线在扫描±45°时，和差波束形状良好，增益没有明显下降。和波束副瓣电平、差波束零深、指向精度等指标均正常。测试结果和理论仿真结果一致性较好。

4 结束语

本文通过对普通直波导的改进，设计了一种新型波导窄边缝隙线阵，大大增加了波导在固定频带内的频扫范围，结合该线阵设计了某波段低成本宽角相频扫阵列天线。该阵列在10%的带宽内，具有方位相扫±45°、俯仰频扫大于20°的扫描能力。通过理论仿真与实测结果可以验证，该低成本宽角相频扫阵列具备可实现性，具有很高的工程应用价值。改进后的波导缝隙阵为进一步提升雷达天线的空域覆盖能力奠定基础。