单脉冲雷达天线和差波束低副瓣设计

薛玲珑，徐 钦，赵起超，张继浩，刘 宇

(1.上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109；2.空军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201109；3.上海机电工程研究所，上海 201109)

0 引言

随着技术的发展，相控阵天线技术越来越多地应用到雷达技术领域。雷达性能的好坏，很大程度上取决于相控阵天线的性能，对于单脉冲雷达系统，雷达的超低空、抗干扰能力主要由天线的低副瓣性能决定[1]，接收时，相控阵天线工作在接收状态，要求同时形成具有低副瓣特性的接收和波束、接收方位差波束和俯仰差波束。和差波束的形成网络可以采用空间馈电或者强迫馈电的方式实现，空间馈电网络实现简单，但不利于集成设计，为满足雷达系统集成化设计要求，一般采用强迫馈电的方式。对于大型相控阵雷达天线，为了降低馈电网络的复杂性，和、方位差、俯仰差3个波束同时的低副瓣性能无法得到满足，一般优先保证和波束的低副瓣性能。

和波束低副瓣性能需要阵面幅度分布满足Taylor分布，差波束低副瓣性能需要阵面幅度分布满足Bayliss分布，用传统的和差单脉冲波束形成方法[2-6]，二者无法兼顾。因为和差加权方式的不同，需要先将和、差信号分开，在阵元级别分别进行和、差的独立加权，这将导致馈电网络特别复杂、庞大，不利于工程实现。近年来，国内外在子阵级波束形成上做了大量的研究，如从子阵级和差方向图性能的角度提出基于椎削函数量化的子阵划分方法[7]，Ferrier等人[8]提出的非均匀与均匀邻接子阵，副瓣电平性能没有得到改善。优化子阵划分可以改善副瓣性能，但受限于TR组件和网络结构，无法实现任意形式的子阵分割，尤其在大型阵面中无法实现工程应用[9-11]。也有一些采用和差一体化设计的馈电网络[12-14]，其设计难度较大，且不具通用性。

本文提出了一种通用的单脉冲雷达天线和差波束低副瓣设计方法，综合圆形阵面、和波束Taylor加权、差波束密度加权技术，实现和、方位差、俯仰差波束低副瓣，基于二级子阵架构，降低了大型相控阵天线馈电网络的复杂性和硬件成本。一级子阵内采用全盲插、无缆化设计，二级子阵采用射频电缆互联，与传统方式比可节省50%的电缆使用。该网络实现方式具有一定的通用性，根据阵面大小、TR组件的形式，综合考虑工程实现性，对一级子阵、二级子阵规模进行规划，可以实现和波束、方位差波束以及俯仰差波束同时的低副瓣性能。

1 阵面分布

工作在C波段的单脉冲雷达天线采用两维相扫形式，具有方位向、俯仰向两维±60°，±45°的扫描覆盖能力，波束宽度要求：2°(Az)×2°(El) (中心频率、法向方向)，副瓣要求：和波束<-30 dB，方位差、俯仰差波束<-20 dB。考虑采用圆形阵面口径可以得到原始的低副瓣性能，计算得到天线阵面规模，方位向和俯仰向最大单元数为Nx列和Ny行，辐射单元采用三角排列方式，根据式(1)计算结果，综合考虑雷达波束空域覆盖范围内不出现栅瓣，

(1)

采用基于二级子阵的和差网络设计，一级子阵有4×4=16个辐射单元，如图1所示，辐射单元采用三角排布，每个辐射单元后接一个有源收发组件(TR组件)(实现二维大角度相位扫描)，在一级子阵内部完成TR组件供电、移相、衰减控制以及接收射频信号合成或发射射频功率分配，每个一级子阵外射频接口只有1个。

图1 一级子阵分布Fig.1 Diagram of first subarray divided of antenna

1.1 天线阵面设计

天线阵面为圆形平面相控阵天线，包含若干个一级子阵。天线阵面辐射单元分布如图2所示，红色区域为有效辐射单元，每个辐射单元对应一个有源收发通道，按区域分成12个二级子阵，二级子阵内部各一级子阵的射频信号通过功分合路器、射频电缆连接。为满足单脉冲雷达使用要求，天线阵面需在4个象限对称分布，考虑接收馈电网络的工程可实现性，采取如图3所示的阵面二级子阵划分方式。

图2 天线阵面辐射单元分布Fig.2 Antenna array radiation element distribution

图3 天线阵面二级子阵划分示意Fig.3 Diagram of second subarray divided of antenna

1.2 方向图仿真计算

基于阵列理论[15]，天线阵面的辐射远场方向图计算公式为：

(2)

式中，θ，φ的定义参见图4的阵面坐标示意图；amn表示阵中第m行、n列单元位置的激励；xmn表示x轴向坐标值；ymn表示y轴向坐标值；β为电磁波在空气中的传播常数。

图4 阵面坐标示意Fig.4 Diagram of array coordinate

为了获得和差低副瓣性能，需要对每个辐射单元位置的激励信号进行加权处理，根据阵列理论以及工程经验，和波束采用Taylor幅度加权、差波束采用Bayliss加权能更好地实现和、差波束的低副瓣性能，不管是在阵元级还是在一级子阵级，单独加权都难以工程实现，馈电网络过于庞大，硬件量大，不利于低成本控制。考虑在二级子阵上做改进，具体实现方法如下：在阵元级的TR组件内采用满足和波束低副瓣性能的Taylor幅度加权，二级子阵做和差处理，和波束合并所有射频信号，方位差、俯仰差波束时引入密度加权以实现低副瓣。方位差波束形成时，图3所示的11号、12号二级子阵不贡献射频能量；俯仰差波束形成时，图3所示的5号、6号二级子阵不贡献射频能量。

基于上述设计，按式(2)算法采用Matlab进行和差方向图波束仿真计算 。仿真计算时，辐射单元三角排布，方位向和俯仰向最大单元数为Nx和Ny，进一步地，为使仿真结果更准确，引入工程实现的数字移相器移相、幅度衰减误差，即5.625°相位随机误差、0.5 dB幅度随机误差，并给出差波束采用密度加权与否的方向图的性能仿真对比。

天线阵面的仿真结果如图5所示。图5(a)和图5(b)为方位维仿真结果以及局部±20°范围内的细节曲线，图5(c)和图5(d)为俯仰维仿真结果以及局部±20°范围内的细节曲线。

(a) 方位面方向图

(b) 方位面方向图±20°放大图

(c) 俯仰面方向图

(d) 俯仰面方向图±20°放大图图5 天线阵面仿真方向图Fig.5 Antenna array simulation pattern

通过±20°放大曲线可以看出，方位差、俯仰差波束的方向图曲线采用密度加权与否的最大电平值基本保持不变，但密度加权后差波束左右主峰更聚拢，方位向近副瓣电平(-15°～15°)下降5 dB，俯仰向近副瓣电平(-5°～15°)下降8 dB，与设计初衷吻合。表1对阵面仿真结果进行汇总。由表1可见，波束宽度、副瓣电平均符合设计要求。

表1 天线阵面仿真结果

2 馈电网络设计

为实现以上描述的阵面加权，对馈电网络进行设计，馈电网络原理如图6所示，前文讲述的24单元的一级子阵已完成射频信号的合并，根据图3给出的二级子阵分布方案，二级子阵射频信号根据其规模大小采用相应的功分合路器以及射频电缆实现对外射频接口的合并，每个二级子阵对外射频接口数量为1个。以7号二级子阵为例，7号二级子阵包含13个一级子阵，13个一级子阵通过一个13功分合路器(发射时功分、接收时合路)以及13根射频电缆实现射频信号的整合，其余11个二级子阵采用类似处理方式。

图6 馈电网络原理Fig.6 Schematic diagram of feed network

12个二级子阵的射频信号经过环形器和差电路[16]完成射频信号的收发分离、子阵级的和差信号提取。阵面工作在接收状态时，来自二级子阵的射频信号通过环形电路进入到和差电路，两两二级子阵内部的移相、90°桥电路实现和差信号分离，得到二级子阵间的和信号以及差信号，具体组合关系为：7号、8号二级子阵，1号、3号二级子阵，2号、4号二级子阵，5号、6号二级子阵，9号、10号二级子阵分别和差，得到方位向差信号以及和信号，11号、12号二级子阵和差，得到俯仰差信号以及和信号。6路和信号(B1～B6)通过俯仰和差波束网络形成阵面的和波束；阵面俯仰差信号包括B1～B4，B7五路信号，具体实现方式详见原理图中的俯仰和差波束形成网络；阵面方位差信号直接将5路差信号(A1～A5)合成。

该设计已用于工程项目中， 装配完成后在微波暗室测试，采用近场测试方法对天线辐射性能进行验证，验证馈电网络的有效性，图7、图8分别给出暗室实测方位向、俯仰向和差方向图。对比局部放大曲线可以看出，实测方向图曲线与仿真结果高度一致，和波束副瓣实测与仿真相比略有差别。经分析，天线副瓣电平小于-30 dB时，对辐射单元的激励幅度、相位非常敏感，幅度、相位的细微变化均会恶化副瓣性能，且微波信号传输过程中存在各种互扰、耦合，以及测试环境的影响，都会引起方向图的细微变化，最终导致实测与仿真结果存在细微差别。实测关键指标汇总如表2所示。

(a) 方位面方向图

(b) 方位面方向图±20°放大图图7 天线阵面方位向实测方向图Fig.7 Measured azimuth pattern of antenna array

(a) 俯仰面方向图

(b) 俯仰面方向图±20°放大图图8 天线阵面俯仰向实测方向图Fig.8 Measured elevation pattern of antenna array

表2 天线阵面实测结果

3 结束语

本文详细介绍了一种单脉冲雷达天线和差波束低副瓣设计方法，该设计在某型号跟踪制导雷达系统中已得到验证。综合圆形阵面、和波束Taylor加权、差波束密度加权技术，实现和、方位差、俯仰差波束同时低副瓣，采用基于二级子阵的阵面架构，降低馈电网络的复杂性和硬件成本。采用一级子阵内全盲插，无缆化设计，二级子阵间射频电缆互联，与传统方式比可节省50%的电缆使用。在微波暗室进行天线方向实测，和波束副瓣电平<-28.9 dB，方位差副瓣电平<-20.4 dB，俯仰差副瓣电平<-23 dB,和波束宽度为2.03°×2.02°。该方法具有一定的通用性，任意规模的阵面均可通过合理规划其一、二级子阵规模，实现优异的副瓣性能。