陳麒天,林嘉宏,齊 松

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109）

0 引言

未來戰(zhàn)爭形態(tài)及作戰(zhàn)方式的多樣化、智能化對導(dǎo)引頭天線設(shè)計提出了更高要求。單一工作頻段的天線已經(jīng)無法滿足未來戰(zhàn)場的需要,設(shè)計具備多頻段工作能力的天線已成為必然需求。為了在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中盡可能保障作戰(zhàn)單元良好的機動性和隱蔽性,就需要實現(xiàn)多頻段天線的高效共口徑集成,避免天線簡單堆疊帶來的體積過大、重量過重、雷達截面增加等負面影響。

為了實現(xiàn)頻率復(fù)合的天線設(shè)計,一種最顯而易見的方案是直接設(shè)計具有多頻特性的陣元。該類設(shè)計可以獲得較好的口徑利用效率,但無法實現(xiàn)大頻段間隔的頻率復(fù)合。如果要實現(xiàn)大頻段間隔的頻率復(fù)合,就需要分別設(shè)計工作在不同頻段的陣元,然后將其融合于同一陣面口徑內(nèi)。根據(jù)布局分類,其實現(xiàn)方式主要包括分塊布局和交錯布局。其中使用最多的分塊布局方式是外環(huán)-中心區(qū)域布局,即口徑的外環(huán)區(qū)域布置尺寸較大的低頻陣元,而內(nèi)部中心區(qū)域布置尺寸較小的高頻陣元。但分塊布局口徑利用率低,導(dǎo)致天線性能整體下降。為了盡可能提升口徑利用率,基于交錯布局的頻率復(fù)合方式近年來逐漸成為了主流。同時為了降低相控陣天線的通道數(shù)以及成本,相關(guān)研究提出了基于交錯布局的稀布共口徑復(fù)合陣面設(shè)計。

雖然基于上述研究成果的天線基本實現(xiàn)了多頻段陣元的共口徑復(fù)合,但是通過分析可以發(fā)現(xiàn),其在多頻段天線協(xié)同輻射特性分析方面存在明顯缺陷?，F(xiàn)有不同頻段天線陣列的協(xié)同設(shè)計僅針對避免結(jié)構(gòu)干涉開展,而天線陣列有源輻射特性的分析與綜合僅針對單類型陣列開展。由于缺乏頻率復(fù)合共口徑條件下的有源輻射特性分析與研究,往往使得設(shè)計過程無法獲得真實有效的陣面輻射特性,從而導(dǎo)致天線設(shè)計的準確性和有效性缺乏保障。

針對上述問題,本文采用基于多層微帶板壓合技術(shù)的共口徑復(fù)合構(gòu)架,提出一種高效的復(fù)合陣面實際輻射特性分析方法,并開展高精度、高效率的復(fù)合陣面輻射特性分析、方向圖綜合以及稀布優(yōu)化。

1 雙頻復(fù)合陣元設(shè)計

1.1 雙頻復(fù)合相控陣天線構(gòu)架

為了實現(xiàn)雙頻復(fù)合相控陣天線的高口徑利用率,同時保證兩個頻段天線各自較為自由的陣列布局,雙頻復(fù)合相控陣天線采用基于多層微帶板壓合技術(shù)的分層共口徑復(fù)合構(gòu)架,其分層結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 分層共口徑復(fù)合構(gòu)架示意圖

該復(fù)合構(gòu)架由4層微帶板壓合而成,各層微帶板之間使用半固化片實現(xiàn)壓合。微帶板1和微帶板2構(gòu)成雙頻復(fù)合相控陣天線中的高頻段天線陣列。微帶板1使用縫隙加載的矩形微帶貼片天線作為高頻段天線陣元,采用同軸饋電。微帶板2上表面使用矩形超材料柵格結(jié)構(gòu)作為高頻段天線的地板結(jié)構(gòu)。微帶板3和微帶板4構(gòu)成雙頻復(fù)合相控陣天線中的低頻段陣列。微帶板3表面刻蝕輻射縫隙,微帶板4上表面為低頻段陣元的帶狀饋線,通過縫隙耦合實現(xiàn)低頻段天線陣元輻射。

1.2 高頻陣元的設(shè)計優(yōu)化

圖2是相控陣天線單個高頻陣元的結(jié)構(gòu)示意圖,其中ε,h分別表示板材介電常數(shù)與板材厚度。

圖2 高頻陣元剖面圖

由于高頻陣元饋電結(jié)構(gòu)、輻射結(jié)構(gòu)與低頻陣元結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)了較好的隔離,因此可以先針對單個高頻陣元開展天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化,再實現(xiàn)多個高頻陣元的優(yōu)化。單個高頻陣元參數(shù)優(yōu)化的具體目標如表1所示。

表1 單個高頻陣元優(yōu)化目標

優(yōu)化后的天線高頻陣元性能仿真結(jié)果如圖3所示,其中f表示中心頻點,f表示高頻與中心頻點差。高頻陣元沿E面掃描時,其在掃描角0°,15°,30°,45°,60°的有源駐波比分別低于1.91,1.83,1.69,2.05,3.25;高頻陣元沿H面掃描時,其在掃描角0°,15°,30°,45°,60°的有源駐波比分別低于1.91,1.93,2.04,2.65,2.96。除了在沿H面45°掃描時,有源駐波比略高于優(yōu)化目標以外,其余掃描角下的有源駐波特性與增益均滿足表1的設(shè)計預(yù)期。

圖3 高頻陣元性能仿真優(yōu)化結(jié)果

1.3 低頻陣元設(shè)計優(yōu)化

一個低頻陣元可以視作由9個高頻陣元集成的子陣,低頻陣元等效結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 低頻陣元結(jié)構(gòu)示意圖

基于高頻陣元的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,開展低頻陣元的優(yōu)化設(shè)計。低頻陣元的優(yōu)化設(shè)計要求是掃描范圍內(nèi)天線有源駐波比不高于2.0,且各掃描角度下天線增益不低于4.0 dBi。圖5給出了優(yōu)化后的低頻陣元有源特性仿真結(jié)果,其中f和f分別為中心頻點與頻率差?？芍?優(yōu)化后的低頻陣元有源駐波比與有源方向圖特性均滿足設(shè)計要求。

圖5 低頻陣元性能仿真優(yōu)化結(jié)果

2 雙頻復(fù)合陣列設(shè)計

基于周期子陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,開展高密集交錯雙頻共口徑復(fù)合陣列設(shè)計。采用Floquet模式分析方法,進行共口徑條件下所有高頻陣元有源方向圖的高效提取,并實現(xiàn)特定指標要求下高頻陣列稀布優(yōu)化,最后分別完成Floquet模式分析方法以及全波仿真方法下的高頻陣列性能驗證與分析。

2.1 高頻陣列Floquet模式分析及稀布優(yōu)化

對于參數(shù)優(yōu)化后的高頻子陣區(qū)域,采用圖6所示排列方式構(gòu)成原始滿陣結(jié)構(gòu)。

圖6 高頻陣列滿陣布局

利用單個頻率復(fù)合子陣區(qū)域在無限周期陣列排布下的有源特性,結(jié)合Floquet模式分析方法,可以獲得滿陣結(jié)構(gòu)中每個高頻陣元單獨激勵時的有源方向圖。該陣元有源方向圖的求解考慮了子陣間互耦與邊界截斷的影響,且子陣區(qū)域內(nèi)部有源特性的求解考慮了雙頻天線結(jié)構(gòu)的相互影響。由此得到的完整陣面方向圖同時包含了雙頻共口徑復(fù)合陣面中陣元互耦、邊界截斷及輻射遮擋的影響。利用其開展的天線輻射特性分析與陣列稀布優(yōu)化,可以很好地實現(xiàn)真實情況下天線性能的準確仿真。

在實際的陣列稀布優(yōu)化過程中,要求陣面布局四象限對稱,陣元數(shù)不大于250個,且每次樣本計算同時考慮陣列發(fā)射以及接收模式下法線、30°掃描以及60°掃描的方向圖性能。高頻陣列稀布優(yōu)化目標如表2所示。

表2 高頻陣列稀布優(yōu)化目標

最終所得高頻陣列稀布優(yōu)化結(jié)果如圖7所示,其中天線口徑為256 mm。陣元數(shù)從原始滿陣的538個降低到234個,稀布率達43.5%,且實現(xiàn)了嚴格的陣面四象限對稱。

圖7 高頻陣列稀布優(yōu)化布局

2.2 高頻陣列方向圖性能驗證

根據(jù)高頻稀布陣列的設(shè)計結(jié)果,利用基于Floquet模式的分析方法,實現(xiàn)了所有陣元有源方向圖的提取以及陣列性能的仿真計算,并通過Composite

Excitation模式驅(qū)動的全波仿真進行了完整陣面的性能驗證。圖8和圖9分別給出了上述兩種仿真方法所得高頻稀布陣列在中心頻點f的接收和發(fā)射方向圖仿真結(jié)果?？梢钥闯?兩種輻射特性分析方法所得到的天線方向圖體現(xiàn)出了很好的一致性。圖中虛實兩條曲線在整體走勢上非常接近,雖然其在若干細節(jié)方面存在差異,但是對于天線陣列的增益、波束寬度以及副瓣電平等關(guān)鍵指標并未產(chǎn)生明顯影響,天線性能滿足設(shè)計預(yù)期。

圖8 高頻稀布陣列接收方向圖仿真結(jié)果

圖9 高頻稀布陣列發(fā)射方向圖仿真結(jié)果

對于所設(shè)計的高頻稀布陣列,表3給出了3種不同仿真/計算方法所對應(yīng)的耗時、收斂情況、結(jié)果數(shù)據(jù)特點以及后處理支持等方面的情況。

表3 大規(guī)模陣列方向圖不同仿真計算方法比較

其中Network Analysis驅(qū)動模式是最為常規(guī)的天線全波仿真方法,具有最可信的仿真精度且支持完備的數(shù)據(jù)后處理。然而該方法對計算機內(nèi)存要求極高,且仿真耗時較長。對于本文設(shè)計的分層微帶構(gòu)架,仿真計算在歷經(jīng)約37.0 h后由于超出計算機內(nèi)存條件而中止,其計算迭代僅實現(xiàn)了7%的收斂精度,不滿足仿真計算的精度要求。

對于前文介紹的Composite Excitation驅(qū)動模式全波仿真和Floquet模式分析計算方法,其分別歷經(jīng)3.0 h和6.5 h后實現(xiàn)了預(yù)定的連續(xù)3次2%收斂精度。雖然Composite Excitation驅(qū)動模式仿真耗時較少,但是實際上該模式產(chǎn)生的計算結(jié)果僅保留了完整陣面某種特定激勵端口配置下的場分布,因此并不支持陣面后續(xù)可能需要開展的稀布優(yōu)化、波束賦形等工作。而基于Floquet模式分析的計算方法,雖然在歷經(jīng)6.5 h仿真計算后才實現(xiàn)連續(xù)3次2%收斂精度,但是其計算結(jié)果保留了所有陣元單獨激勵下的有源特性。利用這些數(shù)據(jù),在后續(xù)處理中可以非常便捷地獲得任意激勵組合/加權(quán)模式下的陣列方向圖,并進一步支持陣列多波位方向圖分析、陣列稀布、波束賦形等工作。

通過上述對比與分析可知,對于構(gòu)架較為復(fù)雜的共口徑復(fù)合相控陣陣面,考慮現(xiàn)有的硬件條件與現(xiàn)實的工作效率,本文提出的基于Floquet模式的復(fù)合陣列實際輻射特性分析與研究的技術(shù)路徑是最合適的。該技術(shù)路徑可以在較低的硬件條件、較高的工作效率下實現(xiàn)復(fù)雜共口徑復(fù)合天線陣面較高精度的實際輻射特性分析,其與高精度全波仿真結(jié)果之間的偏差處于工程設(shè)計可接受的范圍內(nèi)。

2.3 低頻陣列方向圖性能驗證

由于共口徑復(fù)合陣面中的低頻陣列采用規(guī)則排布、滿陣設(shè)計,因此直接針對低頻陣列開展高精度全波仿真。低頻陣列在中心頻點的接收以及發(fā)射掃描方向圖仿真結(jié)果如圖10所示。當(dāng)天線陣列掃描至30°,接收天線和發(fā)射天線的副瓣電平分別不高于-25.82 dB和-22.62 dB?？梢姷皖l陣列的輻射方向圖并未由于上層高頻天線結(jié)構(gòu)的遮擋而發(fā)生明顯的畸變,該結(jié)果驗證了本文雙層共口徑復(fù)合構(gòu)架的優(yōu)異性。

圖10 低頻陣列方向圖仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種新型共口徑復(fù)合天線構(gòu)架,通過分層復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)了雙頻陣元獨立的自由布局。在此基礎(chǔ)上采用基于Floquet模式的高效復(fù)合陣面實際輻射特性分析方法,同時考慮陣元互耦、邊界截斷以及輻射遮擋效應(yīng)影響,實現(xiàn)了完整雙頻復(fù)合陣面高精度輻射特性分析以及陣列優(yōu)化。利用本文所提的高效輻射特性分析方法仿真該新型雙頻復(fù)合相控陣天線性能,與高精度全波仿真結(jié)果相比,增益指標偏差小于0.5 dB,副瓣電平指標偏差小于2.5 dB,仿真耗時降低1/5,天線性能滿足設(shè)計預(yù)期。該研究工作為后續(xù)的雙頻復(fù)合相控陣天線研制提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗積累,可為后續(xù)復(fù)合導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支撐。