P波段瞬态极化雷达收发天线阵列设计

1 引言

瞬态极化新体制雷达对于提高雷达系统在复杂战场环境中的探测性能和感知能力以及在抗干扰、反隐身、反低空突防等方面具有极其重要的军事价值。其主要功能是探测雷达目标的极化散射特性，同时测得目标的极化散射矩阵的4个参数，避免了传统的分时极化测量体制固有的测量精度差、补偿校准复杂的缺陷，因而为准确测量运动目标的极化散射矩阵提供了技术保证。

2 收发天线阵列概述

从系统功能的要求出发，天线阵列必须是两套独立的线极化天线阵，向外辐射信号和接收目标回波信号的时候必须保证足够的增益和良好的方向性能，同时具有良好的收发隔离度和极化隔离度，天线增益期望值为15dB，方向图3dB宽度要求不超过25度。为减小地面反射及环境杂波影响，系统要求天线具有较低的副瓣。

3 收发天线阵列设计

3.1 天线单元设计

本文采取八木天线组阵来实现工程设计要求。并用配有U型平衡变换器的折合振子做馈电振子，其结构如图1所示。

图1 七元八木天线结构

3.2 天线阵列设计

天线阵的辐射是干涉现象的特例，辐射特性取决于阵元的类型、数目、排列方式以及各阵元的馈电等因素。另外，在天线阵中，由于各阵元相距较近，阵中任意两元之间都有较强的场的相互作用即为互耦，互耦会使辐射场和方向图产生变化。

3.2.1 相邻阵元的互耦分析

由于天线结构的复杂性，互耦的计算也会非常麻烦，但使用HFSS计算分析相邻单元的互耦会比较方便。图2显示了相邻天线单元共线排列和平行排列的互耦分析结果。

图2 相邻天线单元的互耦分析

结果显示，随着间距的增加，耦合按照减小，但不是平滑地减小；阵元的电场平行取向耦合比共线时强。当共线间距≥5cm、平行间距≥20cm时，S₂₁≤-15dB，因此在组阵时只要选取间距大于上述所给数值时，耦合对方向图的影响是可以忽略的。

3.2.2 天线阵列关键参数的选择

若忽略单元之间的互耦，天线阵的场等于各单元辐射场的矢量叠加。为了得到强方向性，必须使各单元的辐射场在期望的方向相长干涉，而在其余方向相消干涉。通过控制天线的几何形状、单元间距、单元的激励幅度和相位和单元方向图等因素，可以形成天线阵的总方向图。

（1）阵元数目的选择

图3给出了在中心频率为445MHz时不同阵元数目按一定间距排列时HFSS仿真得到的H面和E面方向图。可以看到随着阵元数目的增加，阵列增益逐渐增大，并且只要满足某种排列时，5元阵和6元阵均能得到既满足增益要求又适合主瓣宽度要求的方向图，且副瓣均压制在-15dB以下。

图3 不同阵元数目仿真的方向图

（2）阵元间距的选择

为了便于实际工程的需要，结合上文对阵元数目的分析，选取6元阵列中的阵元间距作为研究对象，并假设为均匀馈电，采用HFSS作仿真分析。图4给出了平行间距保持40cm不变的情况下，共线间距分别为60cm、70cm、80cm时的H面和E面方向图；图5给出了在共线间距保持70cm不变的情况下，平行间距分别为30cm、40cm、50cm时的H面和E面方向图。

图4 不同共线间距时的方向图仿真结果

图5 不同平行间距时的方向图仿真结果

表1列出了在不同共线间距下H面方向图的波束宽度和第一副瓣电平；表2列出了在不同平行间距下E面方向图的波束宽度和第一副瓣电平。

表1 共线间距对H面方向图的影响

表2 平行间距对E面方向图的影响

可以看出：当平行间距固定时，共线间距对E面方向图影响不明显，但显著影响H面的方向图；当共线距固定时，平行间距对H面方向图影响不明显，但显著影响E面的方向图。阵元间距过小，则会导致3dB宽度增大，而间距过大则又会导致副瓣的升高，而且可能会出现栅瓣。这是因为，均匀馈电时，共线(平行)平面的半功率主瓣宽度只与天线行(列)的电长度有关，电长度越长，半功率主瓣宽度越窄。阵列天线的两个主平面上的方向性是互相独立的，可以分别控制，根据这一点，可在行方向和列方向采用不同的排列来满足对两个主平面方向性的不同要求。根据方向图的结果分析，选取了共线间距d1=70cm，平行间距d2=40cm的3×2阵列作为实际阵列的设计依据。

（3）阵元馈电幅度加权的选择

图6显示了均匀分布与泰勒分布的方向图的H面和E面的对比，相比均匀分布，泰勒分布的方向图增益有1.8dB的下降，H面的主瓣宽度增加1.8度，第一副瓣电平降低3.92dB；E面的主瓣宽度增加10.36度，但第一副瓣消失。泰勒分布实现了压低副瓣的效果，但是这样增加了功分器设计的复杂度。上文中阵列方向图的分析可知并不需要对输入各天线单元电流采用泰勒分布加权处理，当各单元使用等幅同相电流激励时即可满足本文天线阵列的指标要求。

图6 均匀分布和泰勒分布的方向图对比

3.2.3 功分器设计

各单元使用等幅同相激励时需要设计六等分的功分器，利用阻抗匹配理论，设计了如图7所示的功分器，输入端口的阻抗为，而各输出端口的阻抗为，因此需要长度均为的阻抗线变换进行匹配，其中为导波波长。

图7 功分器实物及其性能测试结果

实测结果表明：该功分器的驻波在420MHz～470MHz内小于1.3，各端口输出幅度与理论值基本吻合，符合使用要求。

4 天线阵列性能实测结果

图8给出了收发天线阵列实物图。图9是天线阵列驻波测试结果，图10是天线阵列的H面方向图测试结果。

图8 收发天线阵列以及运动平台实物

图9 天线阵列驻波实测结果

在420MHz～470MHz的频带内天线阵驻波小于2。满足设计要求。

图10 天线阵列H面方向图实测结果

组阵之后的方向图主波束较窄，频率在420MHz时，3dB宽度为24.19º，第一副瓣电平小于-15dB，背瓣小于-20dB；频率为445MHz时，3dB宽度继续变窄为22.98º，第一副瓣电平略有升高但小于-15dB，背瓣小于-20dB，频率在470MHz时，3dB宽度为22.08º，第一副瓣电平升高，不超过-15dB，背瓣上升但小于-20dB,天线在带内的方图一致性较好，已满足设计指标要求。

5 结论

本文采用八木天线作为天线阵单元，运用电磁仿真软件对收发天线阵列参数的选择进行了仿真分析，对各天线单元的激励功率实施特定的加权实现了窄波束、低副瓣天线阵列。实物测试的结果与仿真结果也取得了较好的一致性。