向海生,楊宇宸,盧曉鵬,萬(wàn)笑梅,余 峰,劉 浩,莫 驪,張 琦

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

基于羅特曼透鏡的寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng)

向海生1,2,楊宇宸1,盧曉鵬1,2,萬(wàn)笑梅1,余 峰1,劉 浩1,莫 驪1,張 琦1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子偵察領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)寬帶、寬角掃描,波束形成網(wǎng)絡(luò)需采用實(shí)時(shí)延時(shí)單元。針對(duì)這一需求,介紹了一個(gè)由寬帶天線(xiàn)陣列、射頻前端和羅特曼透鏡等組成的寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng),詳細(xì)描述了系統(tǒng)的組成及工作原理、單元設(shè)計(jì)、副瓣電平仿真、校正和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多波束的小角度掃描,減小掃描波束的靈敏度損失;在8～12 GHz頻率范圍、±27°方位覆蓋范圍內(nèi),多波束的峰值副瓣電平達(dá)到-20 dB。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的空域抗干擾能力。

羅特曼透鏡;寬帶;多波束;天線(xiàn)

0 引言

在復(fù)雜電磁環(huán)境中,電子偵察系統(tǒng)通常需要同時(shí)偵收多個(gè)方向的寬帶輻射源信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)方向的寬帶信號(hào)同時(shí)接收、測(cè)量,就必須采用寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng)。寬帶多波束形成方法包括模擬波束形成、數(shù)字波束形成和光波束形成。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),模擬波束形成易于工程實(shí)現(xiàn)、性能適中、靈活性稍差;數(shù)字波束形成靈活性高,但存在定時(shí)、抖動(dòng)和功耗等問(wèn)題,且受限于元器件水平,瞬時(shí)信號(hào)處理帶寬在1 GHz以下;光波束形成能實(shí)現(xiàn)更大的帶寬,但動(dòng)態(tài)范圍較小[1]。因此,對(duì)于瞬時(shí)信號(hào)帶寬達(dá)到4 GHz的寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng),模擬波束形成是當(dāng)前工程應(yīng)用的一個(gè)較好選擇。

羅特曼透鏡是一種低剖面、輕重量、小體積的實(shí)時(shí)延時(shí)網(wǎng)絡(luò),能夠在寬角掃描條件下實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)合成?；诹_特曼透鏡的多波束天線(xiàn)系統(tǒng)具有全方位截獲概率大、測(cè)向精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高的特點(diǎn)[2],而且設(shè)備量適中,因此,非常適合在體積、重量和功耗要求較高的機(jī)載平臺(tái)上使用。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)采用一維相控陣體制,俯仰向直接合成,方位向同時(shí)多波束。系統(tǒng)由寬帶天線(xiàn)陣列、射頻前端和羅特曼透鏡等組成,其原理框圖如圖1所示。其中,寬帶天線(xiàn)陣列由16個(gè)列線(xiàn)源和1個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)組成,寬帶天線(xiàn)陣列、16個(gè)射頻前端和1個(gè)陣面監(jiān)控集成為有源天線(xiàn)陣面;波束形成網(wǎng)絡(luò)是16單元輸入、16波束輸出的羅特曼透鏡。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 單元設(shè)計(jì)

天線(xiàn)單元采用微帶天線(xiàn),單元形式為偶極子,其仿真模型如圖2所示。該單元適于采用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn),加工精度高;同時(shí),饋電方式靈活,易于與有源器件和電路一體化集成。

圖2 天線(xiàn)單元仿真模型

按工程實(shí)現(xiàn)形式,羅特曼透鏡包括平行板透鏡[3]、微帶/帶狀線(xiàn)透鏡[4-6]和基板集成波導(dǎo)透鏡[7]等。文獻(xiàn)[3]給出了最早的透鏡設(shè)計(jì)方程;文獻(xiàn)[8]對(duì)透鏡設(shè)計(jì)方程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化;文獻(xiàn)[9]中描述的微帶透鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示,曲線(xiàn)Σ1、Σ2分別排列波束端口和陣列端口。

文獻(xiàn)[9]給出的微帶透鏡設(shè)計(jì)方程如式(1)～(3)所示,其基本原理是等光程原理,即任意由F1點(diǎn)發(fā)出的電磁波經(jīng)過(guò)傳播的光程是相等的。

圖3 微帶透鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)

式中,εr和εeff分別為基板的相對(duì)介電常數(shù)和微帶線(xiàn)的等效介電常數(shù)。

以微帶或帶狀線(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)的羅特曼透鏡,電路簡(jiǎn)單,制造工藝比較容易,成本低,因而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[10]。本文設(shè)計(jì)的透鏡是微帶線(xiàn)形式的,經(jīng)仿真后的微帶版圖如圖4所示,圖中左側(cè)為波束端口,右側(cè)為單元端口。

圖4 微帶透鏡版圖

射頻前端主要完成列合成信號(hào)的限幅放大、濾波、移相和衰減等功能,其設(shè)計(jì)需要對(duì)增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍和幅相一致性等指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。本設(shè)計(jì)中的射頻前端采用微波單片集成電路和微帶板實(shí)現(xiàn),其框圖如圖5所示。

圖5 射頻前端設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求,射頻前端的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

抗燒毀能力:1 W(連續(xù)波,持續(xù)5 min)

增益:43±1 dB

動(dòng)態(tài)范圍:≥55 d B(擴(kuò)展動(dòng)態(tài)為30 d B)

噪聲系數(shù):≤3 d B

幅度一致性:≤0.3 d B(RMS值)

相位一致性:≤3°(RMS值)

3 副瓣電平仿真

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,針對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)——副瓣電平進(jìn)行仿真,對(duì)系統(tǒng)的幅相誤差分解并約束模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)。仿真條件如下:在±27°掃描范圍內(nèi),峰值副瓣電平要求不大于-20 d B;單元方向圖假設(shè)為余弦函數(shù);陣列口徑使用30 dB泰勒加權(quán),且權(quán)值量化為0.5 d B的整數(shù)倍。對(duì)系統(tǒng)的副瓣電平指標(biāo)進(jìn)行200次仿真,中心頻點(diǎn)10 GHz的法線(xiàn)波束和27°掃描波束仿真結(jié)果如圖6所示,法線(xiàn)波束的峰值副瓣電平為-21.3 dB,27°掃描波束的峰值副瓣電平為-20.1 d B。

圖6 中心頻點(diǎn)10 GHz的副瓣仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果,對(duì)系統(tǒng)的各組成單元幅相誤差(最大值)分解如下:列線(xiàn)源的幅相誤差1 dB、10°,射頻前端的幅相誤差1.5 d B、15°,多波束網(wǎng)絡(luò)的幅相誤差1.5 d B、10°。

4 校正

寬帶有源多波束系統(tǒng)裝配完成后,為了去除系統(tǒng)的固有幅相誤差,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。該系統(tǒng)運(yùn)用FFT反演算法[11]進(jìn)行校正。使用微波暗室平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的探頭發(fā)射信號(hào)、被測(cè)系統(tǒng)接收信號(hào),采集被測(cè)系統(tǒng)中間波束的近場(chǎng)幅度、相位值,計(jì)算天線(xiàn)系統(tǒng)口徑的幅度和相位值。進(jìn)而得到系統(tǒng)中各單元的幅度和相位補(bǔ)償碼值。

以中心頻率10 GHz、中間波束為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)校正和補(bǔ)償,校正后測(cè)量的系統(tǒng)口徑幅度和相位分布與理想的幅度和相位分布對(duì)比如圖7所示,其中理想的幅度分布為30 dB的泰勒加權(quán)。

圖7 系統(tǒng)口徑的幅相分布

5 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)、裝配和調(diào)試后,進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試,以下給出系統(tǒng)應(yīng)用的10個(gè)波束(波束4～

13)測(cè)試結(jié)果。

1)多波束方向圖

以中心頻點(diǎn)10 GHz為例,4～13波束的方向圖如圖8所示。為了減小波束掃描的靈敏度損失,系統(tǒng)應(yīng)用時(shí),調(diào)整射頻前端中的非色散移相器可進(jìn)行小角度掃描。

圖8 多波束方向圖

系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)輸出的4～13波束覆蓋±27°空域,而經(jīng)過(guò)小角度掃描(3°)調(diào)整后,4～13波束覆蓋-24°～+30°空域。

2)副瓣電平

在微波暗室中,進(jìn)行天線(xiàn)系統(tǒng)的方向圖測(cè)試,處理得到多頻點(diǎn)、4～13波束的副瓣電平。表1為天線(xiàn)系統(tǒng)的副瓣電平測(cè)試結(jié)果,測(cè)試頻率步進(jìn)為1 GHz。

在該系統(tǒng)應(yīng)用中,8～1 2 G H z、±2 7°空域覆蓋范圍內(nèi),多波束副瓣電平能達(dá)到-2 0 d B。

表1 副瓣電平測(cè)試結(jié)果 d B

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一個(gè)基于羅特曼透鏡的寬帶多波束天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行論述,介紹了系統(tǒng)組成、羅特曼透鏡的實(shí)現(xiàn)原理和微帶透鏡方程,分析了射頻前端的設(shè)計(jì)思路,通過(guò)副瓣電平仿真,對(duì)列線(xiàn)源、射頻前端和羅特曼透鏡的幅相誤差進(jìn)行分解。從系統(tǒng)校正后的測(cè)試結(jié)果看,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和靈活的波束調(diào)度能力,具有一定的應(yīng)用前景。

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Wideband Multiple-Beams Antenna System Based on Rotman Lens

XIANG Haisheng1,2,YANG Yuchen1,LU Xiaopeng1,2,WAN Xiaomei1,YU Feng1,LIU Hao1,MO Li1,ZHANG Qi1
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

Wideband multiple-beams antenna system has been widely used in electronic reconnaissance domain.In order to achieve wideband and wide-angle scanning,beamforming network should use true time delay device.In view of this requirement,a wideband multiple-beams antenna system is proposed,which includes wideband antenna array,RF front-end and Rotman lens,etc.The composition,element design,sidelobe simulation,calibration and testing of system are described in detail.The test results show that the system can achieve small angle scan of multiple-beams,and reduce the sensitivity loss of scan beams.The maximum sidelobes of multiple-beams are less than-20 dBin the range of 8～12 GHz and±27°scan angle.The application results show that the system has quite strong ability of anti-jamming in space domain.

Rotman lens;wideband;multiple-beams;antenna

TN974;TN82

A

1672-2337(2017)01-0081-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.014

2016-06-29;

2016-10-08

向海生男,1982年出生于河南潢川,博士,高級(jí)工程師,主要從事微波系統(tǒng)及寬帶數(shù)字接收設(shè)計(jì)工作。E-mail:xhshhy@163.com