频扫低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的研究

术, 第三集, 1987: 32 ～ 39
线源同相馈电, 天线在面阵端面形成主波束。 当工作频率偏离中心频率时, 慢波线各馈电端 口对各线源馈电相位不同, 使主波束偏离天线端面, 在天线俯仰面移动。 实现了在天线俯仰 面的频率扫描。 为满足天线的低副瓣要求, 在设计时应分别对裂缝线源和慢波线的馈电缝进行幅度加 权。 幅度加权就是在线源口径和慢波线馈电端口上取不等幅分布。 这样就必然带来波瓣变 宽的后果, 也就是此时天线口径利用系数降低。 因此, 虽然有许多分布形式可供选择, 但我们 只选择了泰勒分布。 因为泰勒分布可以使天线副瓣电平、 波瓣宽度和天线增益达到一种最佳 〔 2〕 的折中 。 波导窄边开槽天线在辐射半空间会产生不希望的交叉极化波瓣, 它的电平一般比所需 〔 4〕 的副瓣电平高, 必须采取措施抑制它。 以往常用的方法有四种〔3〕 : ( 1 ) 平行栅网仰制法; ( 2) 平行隔板抑制法; ( 3) 扼流槽仰制法; ( 4) 加副波导抑制法。 上述几种方法虽能有效抑制 交叉极化电平, 但那些附加措施会大大增加天线重量。 最近国内流行一种新的抑制交叉极化 〔 5〕 电平措施 , 即 “相邻波导裂缝反向排列” 和控制裂缝间距的措施。 该方法不需要在天线阵面 加任何附加物件, 不会增加天线重量, 也不会影响对副瓣电平的控制, 因此, 我们准备采用这 种方法。 为了更有效地抑制交叉极化电平, 我们还结合使用 1 4 波长的短路扼流槽〔3〕 。
111该天线分别在微波暗室和天线测试场进行了近场测试和外场测方位面最高副瓣2198ghz2197ghz2196ghz2195ghz2194ghz2193ghz2192ghz2191ghz2190ghz2189ghz副瓣db左右3018835133331783511435172341683618836175351233316341893713133132371936112351633417933122321743119542雷达与对抗1997俯仰面最高副瓣3105ghz2198ghz2196ghz2195ghz2194ghz2193ghz2192ghz2187ghz2185ghz副瓣db左右30302230233025302729302430223030303031051113213104112291131011121252198092196112100000165818013631180001201612193192513308581539154方位俯仰方位俯仰01413410714211测试远场测试111412191752618313136411627126171342341116184117165918261153117结论从上述测试结果可以看出实测结果与设计值基本相符
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频扫低副瓣波导窄边缝隙平面 阵列天线的研究
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葛悦禾
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摘要 介绍了频扫体制低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的设计方法。 对 天线样机的测试结果表明, 该天线副瓣低于- 30dB , 达到预期目标。 关键词 波导窄边裂缝 低副瓣天线 频扫天线
1 概 述
+ jm ( kd y sin Η sin Υ2Π
Κ g
L)
( 1)
式中 k 是自由空间传播常数, A m 和A n 分别是第m 根线源输入端的信号幅度及其上第 n 个缝 ), 有 隙的耦合系数。 Α 在主波束的方向 ( Η ,Υ n 是线源第 n 个裂缝的倾斜角度, Κ g 是导内波长。
kd x sin Η co sΥkd y sin Η sin Υ-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ副瓣
( dB )
左 右
- 30188 - 35133 - 33178 - 35114 - 35172 - 34168 - 36188 - 36175 - 35123 - 3316 - 34189 - 37131 - 33132 - 3719 - 36112 - 35163 - 34179 - 33122 - 32174 - 31195
< - 23 < - 30
< - 25 < - 30
< - 27 < - 29
< - 30 < - 24
< - 30 < - 22
< - 30 < - 30
< - 30 < - 30
表 3 波束扫描情况理论、 实测比较
频率 (GH z) 理 论 扫 描 角 度
( 度) 3105 111 3215 3104 112 29 1115 3101 112 19 1125 2198 018 9124 2196 013 217 2195 0 0 0 0 0165 818 0136 3118 0 0 - 012 - 016 2194 2193 2192 2187 - 513 - 30 2185 - 815 - 39154 - 014 - 018 - 113 - 410 - 7142 - 11
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雷达与对抗 1997 年 第 2 期 表 2 俯仰面最高副瓣
3105GH z 2198GH z 2196GH z 2195GH z 2194GH z 2193GH z 2192GH z 2187GH z 2185GH z
副瓣
( dB )
左 右
< - 30 < - 30
< - 22 < - 30
图 1 一维频扫矩形波导窄边裂缝阵列天线 图 1 是一维频扫矩形波导窄边裂缝阵列天线的平面示意图。 它由以下各部分组成: ( 1) 天线输入输出端, 接至环流器; ( 2) 蛇形波导慢波线, 作电扫描用; ( 3) 中功率吸收负载; ( 4) 馈电机构 ( 矩形波导 H 面 T 型接头) ; ( 5) 辐射线源 ( 波导窄边裂缝线源) ; ( 6) 低功率吸收负 载; ( 7) 无源移相器。 下面简述该天线的工作原理。 一个平面阵列, 主波束出现在各辐射单元所产生的远场同
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相迭加的方向。当各单元同相馈电时, 主波束应指向阵列平面的法向。在各单元馈电相位逐 个迟后的情况下, 波瓣指向便偏离法向, 相位递变率越大, 波瓣偏离角度便越大。 在图 1 的阵列中, 线源中相邻裂缝间距为 dx, 相邻两辐射线源的间距为 dy, 馈电信号在 慢波线内的行程差为 L , 忽略单元因子, 其阵列方向图为 2Π ) F (Η , 5 ) = ∑∑A mA n co sΑ cox Υdx + Π n exp [ j n ( kd x sin Η Κ g
1 郭燕昌、 钱继曾、 黄富雄、 冯祖伟等 1 相控阵和频率扫描天线原理 1 国防工业出版社, 1987 2 李俊沛 1 波导缝隙天线设计 1 波导缝隙阵列天线文选 11994: 168 ～ 180 3 钟顺时、 费桐秋、 孙玉林 1 波导窄边缝隙阵天线的设计 1 西北电讯工程学院学报, 1976, ( 1) : 165 ～ 184 4 杜耀惟 1 层间缝隙倾角交替放置以抑制波导窄边缝隙阵交叉极化的初步探讨 . 天线技
2Π
Κ g
d x + Π= 0
2Π
( 2)
Κ g
L = 2p Π
当改变工作频率时, Κ 通常 d x ν L , 因此, g 就相应变化, 使主波束在方位和俯仰上产生偏移。 当改变工作频率时, 主波束在俯仰面作大角度变化, 而在方位面只作小角度偏移。 雷达在工 作时, 可以在俯仰面作频率扫描。
3 天线样机和测试结果
2 天线原理
频扫平面阵列天线主要由裂缝线源和慢波馈电系统组成。 矩形波导窄边开槽天线构成 裂缝线源。慢波线由蛇形波导构成。当天线工作在中心频率时, 慢波线各馈电端口对各裂缝
Ξ ΞΞ
本文于 1997 年 3 月 28 日收到。 南京船舶雷达研究所。
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图 2 示出了天线样机照片。 该天 线由 10 根窄边裂缝波导排列而成, 它 们由串馈的 10 单元慢波线馈电。相邻 裂缝波导的裂缝方向交替反向, 慢波 线的相邻输出端口也是交替反相, 以 抑制交叉极化分量。 天线性能如下: 外形尺寸: 4500×850mm 2 单元数目: 10×76= 760 波导窄边 缝隙
早在 50 年代初, 就有人开始频扫天线的研究。 到 60 年代, 频扫雷达天线已较多装备于 军队。 目前, 国际上频扫天线技术已经成熟。 频扫雷达大量装备于军队。 但几十年来, 国内 在这一领域从事的研究并不多。 频扫天线波瓣可作快速而灵活的扫描。 由于频扫天线中不存在有源元件和不可逆元件, 因而其天线结构相对简单, 可靠性高而造价低。 频扫天线作为阵列, 可以实现较低的副瓣。 频 扫天线也有缺点: 馈线损耗大、 环境温度影响较大、 频率暴露、 易受敌方干扰等。 也许正是由 于这些缺点, 使国内专家较少涉足频扫天线的研究。 但从国外的情况来看, 至今频扫雷达仍 大量装备军队, 这说明频扫雷达在实用上很受军方晴睐。 波导窄边裂缝平面阵列天线由许多裂缝线源构成。 随着雷达抗干扰要求的提高, 越来越 需要低副瓣天线。 由于频扫雷达工作时频率暴露, 易受干扰, 低副瓣天线是其抗干扰最重要 的手段。波导窄边裂缝天线容易满足此要求。该种天线的优点是: 天线口径面幅度分布容易 控制; 没有抛物面天线的馈源和支撑阻挡; 线源间互耦较小, 容易实现一维频扫; 结构紧凑 等。 本文根据几年的研究, 对频扫体制低副瓣波导窄边裂缝平面阵列天线的研制作一简要 介绍。
方位 俯仰 方位 俯仰 方位 俯仰
近 场 测 试 远 场 测 试
- 111 - 4121 - 9175 - 26183 - 1 - 3136 - 4116
27126 17134 2 34 1116 18
- 411 - 7165 - 918 - 26115 - 3117
4 结论
从上述测试结果可以看出, 实测结果与设计值基本相符。 虽然天线实测副瓣值与设计值 还有一定差距, 这与机械加工误差和测试手段有关。 如果线源数更多一些, 相信测试效果更 好。 总的来讲, 我们的设计方法是可行的, 为今后进一步研制中远程三坐雷达天线打下了基 础。 参 考 文 献
图 2 近场测试中的天线样机
输入电压驻波比: < 111 该天线分别在微波暗室和天线测试场进行了近场测试和外场测试。表 1、 表 2 和表 3 列 出了测试结果。 表 1 方位面最高副瓣
2198GH z 2197GH z 2196GH z 2195GH z 2194GH z 2193GH z 2192GH z 2191GH z 2190GH z 2189GH z