一种Ku波段宽带T型相控阵天线的设计

周云林

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

相控阵天线采用电子方法实现天线波束指向，具有波束快速扫描、波束形状快速变化及空间功率合成能力，能在指定的空域内同时搜索和跟踪多个目标，越来越广泛地应用于各种雷达系统中[1]，在近几十年得到迅速发展。

不过常规相控阵天线包含大量的馈电网络、成千上万的电控移相单元或T/R 组件、复杂的波束控制和电源子系统等设备，使得相控阵天线系统构成复杂、成本高昂[2]。通常一部二维扫描的相控阵雷达约70%～80%的成本集中在天线系统，考虑到费效比，使得相控面阵雷达在战术上的广泛使用受到了极大的限制[3]。降低相控阵天线成本的一个有效方法是尽量减少移相单元或T/R 组件的数量。

在保证天线增益和扫描范围满足技术指标要求的情况下，天线单元数最少是相控阵天线优化设计的目标之一[4]。针对上述问题，本文通过对组阵思路的改进，在相控阵雷达机械扫描和电扫描相结合工作模式下，设计了一种有限扫描的Ku 频段的宽带T 型相控阵天线，正交的两个96元线阵组合为一个相控阵天线，线阵在小角度范围内实现相位扫描。在满足扫描精度的同时，显著减少了天线单元和移相器数量。该阵列在34%的带宽内，具有方位/俯仰相扫±7.5°的扫描能力。在两个线阵合成工作模式下，信号相干合成，可以明显增加雷达的作用距离。通过理论分析与实测结果验证，该T 型相控阵天线具备可实现性，具有很高的工程应用价值。

1 天线设计

1.1 阵列形式

T型相控阵天线主要由相同极化的一维方位线阵和一维俯仰线阵组成，如图1所示。96元线阵小角度有限相扫情况下，在实现窄波束小角度扫描的同时，线阵正交方向波束覆盖较宽。每个一维线阵波束覆盖1°×15°空域，正交放置的两个一维线阵扫描形成15°×15°的空域覆盖。这样，两个线阵以正交双扇形波束可同时快速扫描实现有限体空域监视与目标搜索，完成对目标的精密搜索和跟踪。相对于普通设计的M×N阵元设计，T型相控阵天线减少了阵元数量，降低系统造价，是一种相控阵低成本实现的途径。

两种相同极化的天线单元，一个方位面波束宽度大于15°，一个俯仰面波束宽度大于15°，天线单元的物理尺寸不相同。因此两个天线阵列没有相同的共用单元，即两个阵列是两个独立的天线阵。阵列按“T”形排列，也避免线阵的不连续性。

当一维方位线阵与一维俯仰线阵相干合成时，天线增益增加约3dB。

1.2 T 型阵基本原理

T型阵可以从二维面阵变形而来，当面阵内其余单元不激励，即可形成T型阵。

以面阵方式考虑，可知面阵的远场电场方向图如式（1）所示：

面阵除T 型区域外的其他单元不激励，即其他区域的Fix,iy(θ,φ) = 0，当iy= 0，ix= 1,… ,m时，Fix,iy(θ,φ)=F1(θ,φ)，即T 型阵的方位线阵；当ix= 0,iy= 1,…,n时，Fix,iy(θ,φ)=F2(θ,φ)，即T型阵的俯仰线阵。因而式（1）可转化为如式（2）所示：

T 型阵可以分解为两个独立线阵，可见它是面阵的一个特殊形式，其辐射原理与面阵相同。

1.3 单元天线设计

喇叭天线因结构简单、带宽宽、耐功率大、方向性高等优点而被广泛应用。T 型相控阵天线采用喇叭天线作为阵列单元，如图2 所示。根据使用要求的不同，方位阵列单元采用E 面扇形喇叭形式，俯仰阵列单元采用H 面扇形喇叭形式。两种喇叭单元驻波仿真结果如图3 所示，工作频带内驻波小于1.7；方位喇叭单元天线、俯仰喇叭单元天线仿真方向图分别如图4～图5 所示，两种喇叭增益要求波束内增益降基本一致。以方位喇叭为例，中频f0增益为14 dBi，工作频段内，天线轴向增益大于12.6 dB；扫描面方向波束宽度大于±28°，±7.5°内增益降小于0.23 dB；不扫描面方向波束宽度大于±10.5°，±7.5°内增益降小于1.51 dB。因此，应用喇叭天线作为单元天线对于提高天线阵的带宽和增益具有非常重要的意义。

1.4 有限扫描天线栅瓣抑制

在设计相控阵天线阵列时，大间距可加大阵元间的隔离度，但随着阵元间距的增加，栅瓣出现的角度越来越小，天线扫描将受到限制。当阵元间距减小，将降低栅瓣影响，甚至消除栅瓣，但同样的区域需要更多的阵元，使得天线的造价更加昂贵[5-6]。

T 型宽带相控阵由于采用机械扫描和电扫描相结合的方式，可以显著降低对相位扫描角度的需求，从而有效地减小栅瓣对天线的影响。小间距布阵将降低单元天线性能，增大结构设计和散热设计难度，增加天线成本。综合考虑单元天线性能和栅瓣影响等因素，线阵单元间距设计为0.77 λ0。高频段波束相扫时，会出现栅瓣。为了抑制栅瓣影响，T 型宽带相控阵天线采用性能优良的喇叭天线单元，当天线扫描到±7.5°时，方向图如图6 所示，可将高频栅瓣抑制到-21 dB 以下。

1.5 相干合成

一维方位线阵与一维俯仰线阵信号极化相同，当两个线阵同时发射相同信号或者接收信号，即相干合成时，此时天线增益增加约3 dB，实现1°×1°合成笔状波束，如图7 所示。方位、俯仰阵列相干合成，天线增益提高、波束宽度减小，波束对空域的扫描需按常规两维相控阵进行。

2 天线阵测试

经过理论分析与设计，研制了Ku 频段T 型相控阵天线，实物如图8 所示。两维喇叭线阵及其后端的T/R 组件、馈电网络等均安装于T 型腔体结构中，整合为一个系统。

在微波暗室对相控阵天线进行了测试，在±7.5°内扫描的方位线阵方位和差归一化方向图和俯仰面归一化方向图的测试值如图9 所示。天线的法向扫描时，低、中、高三个频点中，和波束副瓣电平小于-20 dB，差零深大于30 dB；在±7.5°波束扫描时，副瓣电平和零深略差。T 型相控阵天线法向扫描时，天线线阵增益大于30.9 dBi。俯仰线阵测试情况与方位线阵类似，在此不再赘述。相干合成的测试方向图如图10 所示，合成了约1°×1°的笔状波束，测试中发现，笔状波束两边角度受增益降低影响，幅度起伏明显。从增益来说，相干辐射增益较线阵增益增加约3 dB，与设计吻合。

3 结论

本文介绍了一种有限扫描相控阵天线，其中包括天线的设计方案、设计思路及试验结果。天线分为正交两个一维线阵，成T 型组合，两个一维线阵可以独立工作，配合相控阵完成对有限体空域监视与目标搜索；两维线阵同时工作，以正交双扇形波束可同时快速扫描，配合完成对目标的精密搜索和跟踪。天线具有高增益、相干辐射及和差波束精密跟踪等特点。在天线总体设计中，采用T 型阵设计思路，在保证相控阵天线扫描精度的同时，减少阵元数量，降低系统造价。喇叭单元采用0.77λ0间距，天线在34%的频带范围内方位/俯仰扫描±7.5°。实测结果表明，天线满足了频带宽度和扫描角度的要求，不扫描时线阵增益大于30.9dB，相干合成时，天线增益增加3dB，达到了设计效果。