相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算概要
微带相控阵天线计算资料讲解
单ห้องสมุดไป่ตู้阵子天线尺寸
介质εr=2.33
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设置频率、边界和远场监视器
瞬态时域求解
端口时域信号
S参数
端口场
远场
相控阵天线计算的三种方法
第一种方法
第一种方法
–计算仅涉及天线结构之间的相互影响。
• 整体模型，同时激励；
–同时涉及结构和激励的相互影响。
练习：偶极子相控阵天线的计算
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第一种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
选择Results-Combine Results..命令
第二种方法
第二种方法
第三种方法
第三种方法
第三种方法
三种方法之总结
• 由单个天线计算天线阵：
–未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。
• 由整体模型单独串行激励计算辐射场：
一种微带相控阵天线设计
第４８卷第３期(总第１８９期)２０１９年９月火控雷达技术ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌＲａｄａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ ４８Ｎｏ ３(Ｓｅｒｉｅｓ１８９)Ｓｅｐ ２０１９天天馈馈线线伺伺服服系系统统收稿日期:２０１９０３０６作者简介:孙姣(１９８８－)ꎬ女ꎬ工程师ꎮ研究方向为雷达天线设计与分析技术ꎮ一种微带相控阵天线设计孙㊀姣１㊀蒋延生２㊀张安学２(１.驻西安地区第六军事代表室㊀西安㊀７１００４３ꎻ２.西安交通大学㊀西安㊀７１００４９)摘㊀要:低截获技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力ꎮ本文根据低截获雷达要求ꎬ按照天线综合方法ꎬ设计了一款满足指标要求的相控阵天线ꎮ首先ꎬ依据指标极化形式㊁单元间距㊁扫描范围和扫描增益的要求选取双层微带天线作为辐射单元并进行了理论设计和仿真ꎻ然后ꎬ利用ＨＦＳＳ仿真软件仿真设计了并馈双层微带天线和天线子阵ꎬ通过仿真发现电压驻波比和方向图满足设计要求ꎻ最后ꎬ加工了一个辐射单元试验小阵ꎬ测试互耦ꎬ计算其扫描电压驻波比和阵中单元方向图ꎬ性能优良ꎬ验证了天线设计的正确性ꎮ关键词:天线综合ꎻ双层微带ꎻ相控阵天线中图分类号:ＴＮ９５７.５１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００８－８６５２(２０１９)０３－０７６－０６引用格式:孙姣ꎬ蒋延生ꎬ张安学.一种微带相控阵天线设计[Ｊ].火控雷达技术ꎬ２０１９ꎬ４８(３):７６－８２.ＤＯＩ:１０.１９４７２/ｊ.ｃｎｋｉ.１００８－８６５２.２０１９.０３.０１４ＴｈｅＩｎｖｅｎｔｉｏｎＲｅｌａｔｅｓｔｏＡＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＡｎｔｅｎｎａＤｅｓｉｇｎＳＵＮＪｉａｏ１ꎬＪＩＡＮＧＹａｎｓｈｅｎｇ２ꎬＺＨＡＮＧＡｎｘｕｅ２(１.ＴｈｅＳｉｘｔｈＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅｉｎＸｉ ａｎꎬＸｉ ａｎ７１００２１ꎻ２.Ｘｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉ ａｎ７１００４９)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ(ＬＰＩ)ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｍｂａｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｒａｄａｒ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎬａｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＬＰＩｒａｄａｒ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔａｃ￣ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｍꎬｔｈｅｕｎｉｔｓｐａｃｉｎｇꎬｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｒａｎｇｅａｎｄｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｇａｉｎꎬａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｎꎬｔｈｅｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａａｎｄａｎｔｅｎｎａａｒｒａｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｆｅｄｂｙＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ.ＴｈｅＶＳＷＲａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍａｒｅｆｏｕｎｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬａｓｍａｌｌｒａｄｉａｔｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｔｅｓｔａｒｒａｙｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｕｔｕａｌｃｏｕｐｌｉｎｇꎬａｎｄｉｔｓｓｃａｎｎｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅａｒ￣ｒａｙａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｎｔｅｎｎａｓｙｎｔｈｅｓｉｓꎻｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐꎻｐｈａｓｅｄ￣ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ０㊀引言雷达不被敌方各种截获接收机截获ꎬ就可以避免被侦察㊁被干扰和被反辐射导弹攻击ꎬ这就促使了低截获概率(ＬＰＩ)雷达的产生[１]ꎮ低截获概率的实质ꎬ就是雷达的最大作用距离大于敌方侦查接收机的最大探测距离ꎬ即雷达保证在探测到目标的同时ꎬ使得敌方接收机截获到雷达信号的概率最小化ꎮＬＰＩ技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力[２]ꎮ天线作为雷达系统的重要部件之一ꎬ直接影响第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计着雷达性能的好坏和成本的高低ꎮ在近几十年当中ꎬ随着航空㊁航天技术的飞速发展ꎬ雷达天线也在突飞猛进地发展ꎬ经历了从传统的抛物面天线㊁卡塞格伦天线到波导型阵列天线的逐步过渡ꎮ然而ꎬ由于传统雷达天线主要基于机械扫描技术ꎬ存在着诸多缺点ꎬ如重量体积大㊁扫描速度慢㊁灵活性差等ꎮ相控阵技术的出现使雷达技术得到了更进一步的发展ꎮ它具有灵活性好㊁稳定性高㊁波束扫描速度快等诸多优点ꎮ通过控制各个阵元的相位ꎬ能够实现波束快速扫描ꎬ并且能够根据环境的不同自适应调节波束的指向ꎬ极大提高了雷达的性能[３]ꎮ本文结合实际天线指标要求介绍了相控阵天线综合ꎮ依据宽带宽角扫描辐射单元的要求ꎬ提出了天线单元的设计方法ꎬ设计了一种并馈双层微带天线线阵ꎬ将线阵组成天线子阵ꎬ利用ＨＦＳＳ软件仿真了该形式的天线子阵ꎬ加工了天线子阵ꎬ并进行了外场测试ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ１㊀方案设计天线的总设计思想为:采用脉冲和二维接收ＤＢＦ工作体制ꎬ控制电路和微波电路均高度集成ꎬ减少天线内部各单元之间的线缆连接ꎬ提高天线的可靠性和维修性ꎮ天线由天线阵面㊁高集成信号传输网络㊁信号处理㊁频综和本振㊁供电及散热设备等组成ꎮ天线的电原理见图１ꎮ图１㊀雷达天线电原理图２㊀天线综合相控阵天线综合的方法有傅里叶级数法[４]㊁谢昆诺夫法[５]㊁切比雪夫综合法[６]和泰勒[７]线源综合法等ꎮ本文主要根据泰勒线源综合法进行天线综合设计ꎬ确定天线各个参数ꎮ根据扫描范围的指标要求ꎬ考虑到天线组件的模块化设计㊁天线阵面结构布局的可行性以及接收天线阵面的对称性要求ꎬ天线阵面采用矩形栅格形式ꎮ雷达天线的阵面布局图见图２ꎮ图２㊀雷达天线的阵面布局图方位面采用相扫的方式实现－４０ʎ~＋４０ʎ的空域覆盖要求ꎮ方位面单元间距ｄｘ应满足:ｄｘɤλ１＋ｓｉｎθ＝１０.３ｍｍꎬ方位面单元间距ｄｘ取９.９ｍｍꎬ为了满足方位和俯仰面８ʎ宽发ꎬ２个５ʎ同时窄收的工作体制要求ꎬ俯仰面单元间距也取为９.９ｍｍꎮ发射阵面为矩形布局方式ꎬ天线方位包含４个子阵ꎬ俯仰包含４个子阵ꎬ共１６个发射子阵ꎬ工作状态时ꎬ发射Ｔ组件每通道均工作在饱和放大状态ꎬ发射天线为均匀加权ꎬ发射天线中心频率方向图见图３㊁图４ꎮ图３㊀天线发态方向图７７火控雷达技术第４８卷图４㊀天线发态方向图㊀㊀为了满足雷达指标的要求ꎬ同时兼顾数据处理和本振功分的问题ꎬ接收阵面采用子阵式ＤＢＦ工作体制ꎬ近似圆形布局方式ꎬ天线方位包含８个子阵ꎬ俯仰包含８个子阵ꎬ全阵共５２个子阵ꎮ接收天线采用同时波束的方法实现方位和俯仰差波束ꎬ接收天线中心频率方向图见图５和图６ꎮ图５㊀天线收态和差方向图图６㊀天线收态和差方向图３ 仿真设计高性能辐射单元是相控阵天线的核心元件ꎬ其决定了相控阵天线的扫描性能ꎮ微带天线因具有体积小㊁重量轻㊁剖面低㊁馈电方式灵活㊁价格便宜㊁易与导弹㊁飞行器共形等特点在工程上具有良好的应用背景ꎮ本文采用矩形微带天线作为阵列天线的阵元ꎮ微带天线工作的频率为ｆ０ꎬ矩形贴片的长宽分别为Ｌ和Ｗꎬ所采用的介质板厚度为ｈꎬ介电常数为εｒꎬ则可通过经验公式粗略的求出矩形贴片的长宽ꎬ再通过仿真软件进行优化ꎬ这样可以大幅度地节省天线的设计时间ꎮ综合考虑ꎬ选择ＲＯ４３５０板材ꎬεｒ为３.６６ꎬ板材厚度ｈ为０.５０８ｍｍꎮ根据上述经验公式计算出微带单元的初始尺寸为Ｌ＝４.４９８ｍｍ㊁Ｗ＝５.８８ｍｍꎮ利用ＨＦＳＳ软件对所设计的单元天线建模ꎬ并对其进行了仿真ꎬ模型如图７所示ꎮ图７㊀单层微带天线仿真模型图经仿真发现ꎬ单层微带天线的频带比较窄ꎮ为了展宽频带ꎬ我们采用双层微带天线ꎬ天线带宽可达１２％ꎮ双层微带天线仿真模型图见图８ꎮ图９和图１０为双层微带辐射单元电压驻波比和增益仿真结果ꎮ图８㊀双层微带天线仿真模型图８７第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图９㊀双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果图１０㊀双层微带辐射单元增益仿真结果㊀㊀对微带天线单元进行组阵时ꎬ单元是通过馈电网络连接的ꎮ微带阵列天线的馈电方式有并联馈电和串联馈电ꎬ通过对比串联馈电和并联馈电的优缺点以及依据仿真结果和实际应用的需求综合考虑ꎬ最终本文选择并联馈电网络组成的阵列天线ꎮ为避免功分网络对辐射单元性能的影响ꎬ功分网络采用一分三并行功分的形式ꎬ与辐射单元位于不同的电路层ꎬ功分器和辐射单元之间通过同轴馈电连接ꎬ实现了辐射单元和馈电网络的物理隔离ꎬ并且通过加载电感钉的匹配方式ꎬ消除了功分网络的谐振现象ꎬ展宽了微带线阵的带宽ꎬ线阵辐射单元之间通过周期性的电感钉形成高阻表面ꎬ消除了单元之间的互耦ꎬ提高了单个天线单元的增益ꎮ并馈仿真模型见图１１ꎬ图１２为并馈双层微带辐射单元中心频率方向图仿真结果ꎬ图１３为并馈双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果ꎮ图１１㊀并馈双层微带辐射单元图１２㊀并馈双层微带辐射单元方向图图１３㊀并馈双层微带辐射单元电压驻波比该项目称为子阵式ＤＢＦ天线ꎬ根据指标的要求ꎬ三个线阵组成一个子阵ꎬ子阵结构图形见图１４ꎬ每个线阵通过波珠接插件与一路ＴＲ组件或者Ｒ组件焊接ꎬ即每个子阵包含３路ＴＲ组件或者Ｒ组件ꎬ子阵通过ｓｍｐ和Ｊ３０等盲插结构与高集成的信号传输网络连接ꎬ在仿真设计时考虑固定螺钉对子阵性能的影响ꎮ子阵仿真模型图见图１５ꎮ子阵电压驻波比仿真结果见图１６ꎬ子阵方向图仿真结果见图１７ꎮ通过仿真发现ꎬ子阵三个端口的驻波在频带范围内电压驻波比小于２ꎻ子阵方向图具有较好的对称性ꎮ图１４㊀子阵结构图形９７火控雷达技术第４８卷图１５㊀子阵仿真模型图１６㊀子阵电压驻波比图１７㊀子阵方向图(ｆ０)４ 实验验证加工一子阵进行子阵电压驻波比㊁有源单元反射系数(转换成有源单元电压驻波比)及有源单元方向图的测试ꎮ子阵的实物图见图１８ꎬ用一块金属铝板代替瓦片式ＴＲ组件ꎬ将型号为ＳＭＰ￣ＪＦＤ６Ａ射频接插件焊接到微带天线板上ꎬ微带天线板和金属铝板用导电胶固定ꎮ图１８㊀子阵实物图利用网络分析仪进行子阵电压驻波比测试ꎬ测试中间馈电口的电压驻波比ꎬ两边的馈电口接匹配负载ꎬ测试场景和测试结果见图１９ꎮ图１９㊀子阵电压驻波比的测试有源单元反射系数(转换为有源单元电压驻波比)的测试结果见图２０ꎮ０８第３期孙姣等:一种微带相控阵天线设计图２０㊀有源单元电压驻波比㊀㊀在微波暗室进行子阵有源单元方向图测试ꎬ测试中间端口的有源单元方向图ꎬ其余的端口接匹配负载ꎬ测试场景见图２１ꎬ测试结果见图２２至图２４ꎬ由于二维转台俯仰转动范围有限ꎬ因此ꎬ子阵方向图测试结果俯仰面只能测试ʃ３０ʎ内的方向图ꎮ实验结果表明:１)该形式微带天线为线极化ꎬ功率容量满足项目要求ꎬ且体积小ꎬ可以满足在阵面上所占面积足够小的要求ꎬ增加了高次模的截止深度ꎬ减少了高次模的场对频率的敏感度及在总辐射场中所占的比例ꎬ展宽了辐射带的带宽ꎮ图２１㊀子阵测试场景图２２㊀子阵方向图测试结果(ｆ０－１０００ＭＨｚ)图２３㊀子阵方向图测试结果(ｆ０)图２４㊀子阵方向图测试结果(ｆ０＋１０００ＭＨｚ)㊀㊀２)该形式微带辐射单元具有良好的端口匹配特性ꎮ子阵电压驻波比仿真与实物测试结果一致ꎬ有源单元电压驻波比的仿真结果与实际测试结果也基本可比拟ꎮ３)该形式微带辐射单元具有良好的辐射特性ꎮ有源单元方向图的仿真结果和实际测试结果一致ꎬ波束宽度均为:Ｈ面波束宽度大于９０ʎꎬＥ面波束宽度大于２５ʎꎮ该形式微带辐射单元剖面低ꎬ重量轻㊁成本低适合大型相控阵天线使用ꎮ１８火控雷达技术第４８卷５ 结束语本文在总结研究背景的基础上对微带相控阵天线进行了研究ꎬ从方案设计出发ꎬ在仿真软件中设计所需的仿真模型ꎬ优化仿真后所得的结果可以满足预先设定的技术指标ꎬ完成了子阵加工制作以及电气性能测试ꎬ测试结果达到了预期目标ꎬ对设计方法进行了验证ꎮ参考文献:[１]㊀曾高强.有源相控阵雷达低截获概率波形研究[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１１.[２]㊀刘琼.低截获概率雷达技术及性能评估方法研究[Ｄ].西安:西安电子科技大学ꎬ２０１５.[３]㊀樊星.相控阵列天线综合宽角度扫描[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１６.[４]㊀ＳＩＬＶＥＲＳ.ＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｎｔｅｎｎａＴｈｅｏｒｙａｎｄＤｅ￣ｓｉｇｎ[Ｍ].ＭＩＴꎬＲａｄ.Ｌａｂ.ꎬ１９７９.[５]㊀ＳＣＨＥＬＫＵＮＯＶＳＡ.ＡＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＴｈｅｏｒｙｏｆＬｉｎｅａｒＡｒｒａｙｓ[Ｊ]ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒ￣ｎａｌꎬ１９４３:８０￣１０７.[６]㊀ＤＯＬＰＨＣＬ.ＡＣｕｒｒｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＢｒｏａｄ￣ｓｉｄｅＡｒｒａｙｓＷｈｉｃｈＯｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＳｉｄｅｌｏｂｅＬｅｖｅｌ[Ｊ].Ｐｒｏｃ.ＩＲＥꎬＶｏｌ.３４ꎬ１９４６ꎬ３５(６):３３５￣３４５. [７]㊀ＴＡＹＬＯＲＴＴ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｉｎｅＳｏｕｒｃｅＡｎｔｅｎｎａｓｆｏｒＮａｒｒｏｗＢｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄＬｏｗＳｉｄｅｌｏｂｅｓ[Ｊ].ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌꎬ１９６８ꎬ４７:６２３￣６４０.(上接第７５页)[６]㊀ＴＵＩＮＳＴＲＡＴＲ.ＲａｎｇｅａｎｄＶｅｌｏｃｉｔｙＤｉｓａｍｂｉｇ￣ｕａｔｉｏｎｉｎＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒｗｉｔｈｔｈｅＤＢＳＣＡＮＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ[Ｃ].ＩＥＥＥＮａｔｉｏｎａｌＡｅｒｏ￣ｓｐａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＯｈｉｏＩｎ￣ｎｏｖａｔｉｏｎＳｕｍｍｉｔꎬ２０１６:３９６￣４００.[７]㊀ＡＨＮＳꎬＬＥＥＨꎬＪＵＮＧＢＷ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＳｅｔＳｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒＰｕｌｓｅｄＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒｓＵｓｉｎｇＳｉｍ￣ｕｌａｔｅｄＡｎｎｅａｌｉｎｇ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１１:０９０￣０９４.[８]㊀连晓锋ꎬ汤子跃ꎬ朱振波ꎬ汪先超ꎬ席秋实ꎬ乔宁.机载相控阵ＰＤ雷达的ＭＰＲＦ设计与选择[Ｊ].现代防御技术ꎬ２０１６ꎬ４４(４):１２９￣１３５. [９]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒＰＲＦＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＥｖｏｌｕｔｉｏｎ￣ａｒｙＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２０１３:１９２￣１９７.[１０]㊀ＸＩＡＸＧ.ＤｏｐｐｌｅｒＡｍｂｉｇｕｉｔｙＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＵｓｉｎｇＯｐｔｉｍａｌＭｕｌｔｉｐｌｅＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ａｅｒｏｓｐ.Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.Ｓｙｓｔ.ꎬ１９９９(３５):３７１￣３７９.[１１]㊀马杰ꎬ王永良ꎬ谢文冲.机载预警雷达ＭＰＲＦ优化方法研究[Ｊ].空军预警学院学报ꎬ２０１８ꎬ３２(５):３３１￣３３６.[１２]㊀ＫＩＮＧＨＯＲＮＡＭꎬＷＩＬＬＩＡＭＳＮＫ.ＴｈｅＤｅｃｏｄ￣ａｂｉｌｉｔｙｏｆＭｕｌｔｉｐｌｅ￣ＰＲＦＲａｄａｒＷａｖｅｆｏｒｍｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲａｄａｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ１９９７. [１３]㊀ＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣ.ＰｕｌｓｅＤｏｐｐｌｅｒＲａｄａｒ:Ｐｒｉｎｃｉ￣ｐｌｅｓꎬＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｍ].ＮＣ:ＳｃｉＴｅｃｈＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇꎬ２０１２.[１４]㊀ＨＵＧＨＥＳＥＪꎬＡＬＡＢＡＳＴＥＲＣＭ.ＮｏｖｅｌＰＲＦＳｃｈｅｄｕｌｅｓｆｏｒＭｅｄｉｕｍＰＲＦＲａｄａｒ[Ｃ].Ｉｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲａｄａｒꎬ２００３.２８。
相控阵天线及其功率合成方法分析
一 般 来 说 ，可 以 在 若 干 微 秒 中 完 成 ，所 以可 以 认 为 波
束 扫 描 是 无 惯 性 的 。 它 辐 射 功 率 大 ，能 迅 速 、灵 敏 而
又准确地 进行 波束 指 向 ，能 同时在 指 定 的空 间 中搜
索 、识别 和跟踪 多个 目标 ，且稳定 性 、可靠性 高 ，对 目
９９
由 式 （１）可 知 ，天 线 口径 较 大 时 ，天 线 带 宽 很 小 ； 口径 较 小 时 ，带 宽 则 可 以很 大 。
标 的捕获率 大 。
相控阵 天 线 带 宽 △．厂与 天 线 口径 关 系 的表 达
式 为 ：
△ 厂／ｆ０— ０。ｄＢ／ｓｉｎ＆ ．
（１）
式 中 ： ｄＢ为 主瓣 波束 的 ３ ｄＢ宽 度 ；０３ ≈ ／Ｌ，Ｌ为
天 线 口径 。
收稿 日期 ：２００９一Ｏ７—１６
第 ２期
杨凯 等 ：相控 阵 天线及 其 功率合 成方 法分 析
幅相 调 节 器 ，因 而 天 线 口径 的 照 射 函 数 在 计 算 机 的
控 制 下 可 以 高 速 变 化 ，具 有 很 大 的 灵 活 性 。相 控 阵
天线 的波束转 换 时间取决 于移相 器 中开 关元件 的开
关时 间和 波束 控 制信 号 的形 成 、传 输 与转 换 时 间 。
合 成 效 率 的影 响 ，并 就 达 到 一 定 的 干扰 功 率 进 行 了 初 步设 计 。
关 键 词 ：相控阵天线 ；阵元 ；合成效率 ；等效辐射功率
中 图分 类 号 ：ＴＮ８２１．８
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：ＣＮ３２—１４１３（２０１０）０２—００９８—０３
相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ｓ ｅ ｅ ； ｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ｓ ｅ ｅ ； ｏ ｒ ｃ ｐ ｃｔ ｙ ｒ ｓ ｐ ａ ｅ ｒ ａ ； ｅ ｋ ｒ ｐ ａ ｅ — ｒ ａ ｅ ｋ ｒ ｐ ｗｅ ａ ａ ｉ ｙ
了 具 有 更 远 的 探 测 距 离 ， 控 阵 导 引 头 需 要 有 较 大 的 相
关键 词 ： 控 阵 ； 引 头 ； 相 导 相控 阵导 引头 ； 率 容 量 功 中 图 分 类 号 ： ７ ５３ ＴＪ ６ ． 文 献标 志码 ： Ａ
Ａｒ ａ ｓ ｇ ｎ ｅ ｅ ’ ｗｅ ｐ ｃ ｔ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ ｒ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｅｌ ｍ ｎｔ Ｓ Ｐｏ ｒ Ｃａ ａ ｉｙ Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｏ
郝 媛 ， 英锋 ， 志凯 潘 唐
（ 军雷达学院 ， 汉 空 武 ４０１） ３ ０ ９ 摘 要 ： 中重 点 研 究 了微 带 天 线 的 功 率 容 量 能 否 满 足相 控 阵 导 引 头 的 要 求 。 首 先 ， 据 课 题 需 要 进 行 了相 文 根 控 阵 导 引 头天 线 阵 的总 体 设 计 ； 后 ， 据 典 型 参 数 和需 要 的探 测 距 离 ， 算 出导 引 头 天线 阵 中每 个 单 元 的发 然 根 计 射功 率 ； 着 ， 矩 形 微 带 天 线 的功 率 容 量 进 行 了研 究 ， 给 出 了 矩 形微 带 天线 功 率 容 量 随 关 键 参 数 变 化 的 曲 接 对 并 线 ， 曲 线 对 于 矩 形 微 带 天 线 的设 计 具 有 参 考 价 值 ， 究 结 果 表 明 微 带 天 线 的 功 率 容 量 可 以 满 足 相 控 阵 导 引 该 研 头 的应 用 要 求 。
相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算概要
第30卷第6期2010年12月弹箭与制导学报J o u r n a l o f P r o j e c t i l e s,R o c k e t s,M i s s i l e s a n d G u i d a n c eV o l.30N o.6D e c2010相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算*郝媛,潘英锋,唐志凯(空军雷达学院,武汉430019摘要:文中重点研究了微带天线的功率容量能否满足相控阵导引头的要求。
首先,根据课题需要进行了相控阵导引头天线阵的总体设计;然后,根据典型参数和需要的探测距离,计算出导引头天线阵中每个单元的发射功率;接着,对矩形微带天线的功率容量进行了研究,并给出了矩形微带天线功率容量随关键参数变化的曲线,该曲线对于矩形微带天线的设计具有参考价值,研究结果表明微带天线的功率容量可以满足相控阵导引头的应用要求。
关键词:相控阵;导引头;相控阵导引头;功率容量中图分类号:T J765.3文献标志码:AA r r a y D e s i g n a n d E l e m e n t’s P o w e r C a p a c i t y C a l c u l a t i o n f o rH o m i n g S e e k e r’s M i c r o s t r i p A n t e n n a A r r a yHA O Y u a n,P A N Y i n g f e n g,T A N G Z h i k a i(A i r F o r c e R a d a r A c a d e m y,W u h a n430019,C h i n aA b s t r a c t:W h e t h e r m i c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r’s r e q u i r e m e n t w a s s t u d i e d.F i r s t l y, a n t e n n a a r r a y u s e d b y p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r w a s s y s t e m a t i c a l l y d e s i g n e d,t h e n t r a n s m i t t i n g p o w e r o f e a c h u n i t o f s e e k e r’s a n t e n n a a r r a yw a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t y p i c a l p a r a m e t e r s a n d t h e r e q u i r e d d e t e c t i o n r a n g e;A f t e r t h a t t h e p o w e r c a p a c i t y o f r e c-t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a w a s s t u d i e d a n d t h e c u r v e o f c a p a c i t y c h a n g e w i t h k e y p a r a m e t e rc h a n g e w a s g i v e n,w h i c h i s h e l p f u l f o rde s i g n of r e c t a ng u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a.Th e r e s u l t s s h o w e d t h a t mi c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t t h e n e e d o f p h a s e d a r r a y s e e k e r.K e y w o r d s:p h a s e d a r r a y;s e e k e r;p h a s e d-a r r a y s e e k e r;p o w e r c a p a c i t y0引言导引头是整个精确制导武器中最具核心地位的子系统,其性能优劣直接影响精确制导武器的效能。
相控阵MIMO模式雷达导引头模型及关键技术研究
第33卷第3期弹箭与制导学报V01．33 No．3 2013年6月Journal of Projecfiles，Rockets，Missiles and Gu ida nce Jun 2013相控阵-MIMO模式雷达导引头模型及关键技术研究+姜永华，李敬军，翟龙军，但波(海军航空工程学院，山东烟台264001)摘要：分析了相控阵雷达导引头和集中式MIMO雷达两种技术优缺点的基础上，提出了一种基于全数字式相控阵雷达导引头硬件结构且联合运用相控阵雷达技术和集中式MIMO雷达技术的新型雷达导引头。
给出了新型导引头可行的运用模式和结构模型，并对模型中的主要部分进行了分析，总结了新模式导引头的优点，最后对新型导引头实现的关键技术进行了阐述。
关t词：相控阵；集中式MIMO；可行性；结构模型；关键技术中图分类号：TJ765．331 文献标志码：AResearch of Phased-MIMO Radar Seeker Model and Its Key TechnologiesJI A NG Y o ng h ua，L I Jingjun，ZHAI Lon咖n。
DAN B o(Naval Aer o na u t ic a l and Astronantical Un i ve r s i t y，S h an d o n g Yantal 264001。
China)Abstract：Based o n the advantages of phase d arra y radar see k er an d c ol l o c at e d MIM O r a d a r，a n e w type of radar se e k e r b a s e d o n futly dig—ital har dw ar e struct ur e u si ng the t w o kinds of te c hn o lo gi e s isprop os ed．Th e paper anal yz e s the feasibility an d the structural mod el of t he n e w radar seeker，and summarizes its advantages．At last a simple analysis of the key technologies about the n e w radar Se e ke r is given．Key w or d s：p ha s e d a rr ay；co ll oc at ed MI MO；fe as ib il it y；s tr uc tu ra l m od el；ke y technologies快、精度高、探测距离远、探测目标多、抗干扰性和可O引言靠性高等诸多优点。
相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算
相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算
郝媛;潘英锋;唐志凯
【期刊名称】《弹箭与制导学报》
【年(卷),期】2010(030)006
【摘要】文中重点研究了微带天线的功率容量能否满足相控阵导引头的要求.首先,根据课题需要进行了相控阵导引头天线阵的总体设计;然后,根据典型参数和需要的探测距离,计算出导引头天线阵中每个单元的发射功率;接着,对矩形微带天线的功率容量进行了研究,并给出了矩形微带天线功率容量随关键参数变化的曲线,该曲线对于矩形微带天线的设计具有参考价值,研究结果表明微带天线的功率容量可以满足相控阵导引头的应用要求.
【总页数】4页(P7-9,16)
【作者】郝媛;潘英锋;唐志凯
【作者单位】空军雷达学院,武汉,430019;空军雷达学院,武汉,430019;空军雷达学院,武汉,430019
【正文语种】中文
【中图分类】TJ765.3
【相关文献】
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第30卷第6期2010年12月弹箭与制导学报J o u r n a l o f P r o j e c t i l e s,R o c k e t s,M i s s i l e s a n d G u i d a n c eV o l.30N o.6D e c2010相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算*郝媛,潘英锋,唐志凯(空军雷达学院,武汉430019摘要:文中重点研究了微带天线的功率容量能否满足相控阵导引头的要求。
首先,根据课题需要进行了相控阵导引头天线阵的总体设计;然后,根据典型参数和需要的探测距离,计算出导引头天线阵中每个单元的发射功率;接着,对矩形微带天线的功率容量进行了研究,并给出了矩形微带天线功率容量随关键参数变化的曲线,该曲线对于矩形微带天线的设计具有参考价值,研究结果表明微带天线的功率容量可以满足相控阵导引头的应用要求。
关键词:相控阵;导引头;相控阵导引头;功率容量中图分类号:T J765.3文献标志码:AA r r a y D e s i g n a n d E l e m e n t’s P o w e r C a p a c i t y C a l c u l a t i o n f o rH o m i n g S e e k e r’s M i c r o s t r i p A n t e n n a A r r a yHA O Y u a n,P A N Y i n g f e n g,T A N G Z h i k a i(A i r F o r c e R a d a r A c a d e m y,W u h a n430019,C h i n aA b s t r a c t:W h e t h e r m i c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r’s r e q u i r e m e n t w a s s t u d i e d.F i r s t l y, a n t e n n a a r r a y u s e d b y p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r w a s s y s t e m a t i c a l l y d e s i g n e d,t h e n t r a n s m i t t i n g p o w e r o f e a c h u n i t o f s e e k e r’s a n t e n n a a r r a yw a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t y p i c a l p a r a m e t e r s a n d t h e r e q u i r e d d e t e c t i o n r a n g e;A f t e r t h a t t h e p o w e r c a p a c i t y o f r e c-t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a w a s s t u d i e d a n d t h e c u r v e o f c a p a c i t y c h a n g e w i t h k e y p a r a m e t e rc h a n g e w a s g i v e n,w h i c h i s h e l p f u l f o rde s i g n of r e c t a ng u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a.Th e r e s u l t s s h o w e d t h a t mi c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t t h e n e e d o f p h a s e d a r r a y s e e k e r.K e y w o r d s:p h a s e d a r r a y;s e e k e r;p h a s e d-a r r a y s e e k e r;p o w e r c a p a c i t y0引言导引头是整个精确制导武器中最具核心地位的子系统,其性能优劣直接影响精确制导武器的效能。
相控阵导引头是导引头体制发展的一个新领域,若要将相控阵技术用于雷达导引头关键是研制可共形、低截面、小型化、轻型天线阵列[1]。
微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种天线,在100MH z到50G H z 的频带上获得大量应用。
与通常微波天线相比,微带天线的主要优点是:体积小、重量轻、剖面薄,成本低,易于共形,不扰动装载装备的空气动力学性能,非常适合在导弹、火箭和卫星上应用。
因此微带天线很适合作为天线阵列单元应用于相控阵雷达导引头中[2-4]。
然而,微带天线的一个缺点是功率容量较低,为了具有更远的探测距离,相控阵导引头需要有较大的发射功率,若要将微带天线阵应用于导引头,必须考虑微带天线阵所能承受的最大发射功率。
文中以微带天线功率容量的计算方法为研究重点,论证微带天线阵列在相控阵导引头中应用的可能性。
1相控阵雷达导引头发射功率计算雷达导引头的作用距离和其发射功率之间的关系[5]:R a=4P a G2λ2δT4(π3P m i n槡L(1式中:P a为导引头发射机功率(W;P m i n为接收机灵敏度(W;λ为工作波长(m;δT为目标散射截面积(m2;G为天线阵的增益。
L为雷达能量传输损耗,由于估算天线阵的输入功率,因此此处只计天线的损耗。
假设微带天线阵的辐射效率为70%,则L=*收稿日期:2009-05-24基金项目:武器装备预研基金资助作者简介:郝媛(1978-,女,山西人,讲师,硕士,研究方向:相控阵技术,精确制导技术。
弹箭与制导学报第30卷1.43。
式(1中导引头发射功率与作用距离的四次幂成正比,因此发射功率的主要限制因素是作用距离。
为在一定作用距离情况下利用式(1计算相控阵导引头每个天线单元所需发射功率,首先,需要讨论相控阵天线增益的计算方法和阵列设计方法。
然后,根据需要计算每个天线单元的发射功率。
图1平面均匀天线阵示意图1.1天线阵增益假设如图1所示的一个有限阵元的平面均匀天线阵,每个天线单元分配的面积为A ,假设θ是所考虑方向(目标视线方向同最大辐射方向之间的夹角,则单个天线在该方向上的增益为:G e =2πAλ2co s θ(2那么天线阵在该方向上增益可用下式计算[6]:G =n G e(3其中n 为天线单元数。
图2矩形阵布局平面示意图1.2天线阵设计应用于导引头的相控阵安装在圆柱形的弹体中,因此阵列应排列成圆形面阵,为了增大天线阵的发射功率,应在有限口径条件下尽量增多阵元数目。
方形阵列可在保持阵元间耦合较小的情况下,在较小的口径内填充较多的天线单元,在每个单元的发射功率一定的情况下,获得较大的空间合成功率。
考虑有效阵元数采用8×8的矩形阵;为了满足阻抗匹配要求,在有效矩形阵的四周边缘各增加一个虚阵元(只有阵元,不与其它负载和有源器件相连,形成10×10的矩形阵(如图2所示。
x 和y 方向阵元间距d x =λ/2。
1.3天线单元发射功率计算表1雷达导引头经验参数导引头参数经验值工作频率10G H z 阵列形式圆阵导引头半径25c m 接收机灵敏度-95d B mW目标(中型运输舰δT =104m 2作用距离20k m根据需要导引头主要参数如表1所示。
若天线单元间距离为半波长,导弹导引头天线波束的扫描角在(-45°,45°内,按照式(2天线单元最大辐射方向增益为1.57,当扫描到最大扫描角时天线单元增益为1.11。
则若按照图2布阵,可以布成23×23阵列,除去两边的虚阵元,实际为21×21阵列。
天线阵列在扫描角为零时的天线阵增益为692,为28.4d B ,当扫描到45°时,天线阵的增益为490,为26.9d B 。
若导引头的各参数如表1所示,根据式(1,当天线扫描到45°时,仍需保证导引头的作用距离为20k m ,可计算得到平均发射功率为64W 。
由经验可知精确制导雷达发射脉冲功率大约为平均功率的1000倍,所以得到天线阵的发射脉冲功率为64000W 。
21×21的阵列,可安装441个单元以上,则天线单元的平均功率为0.145W ,脉冲功率应为145.1W 。
2微带天线功率容量的估算利用微带天线的传输线模型,可将矩形微带天线视为与贴片同宽的传输线连接两个间距为L 的缝隙组成的系统。
因此,天线的欧姆损耗和介质损耗引起发热,导致天线单元的温度升高,最终限制矩形微带天线的平均功率,而导体和地板之间介质的击穿电压则限制峰值功率。
2.1平均功率容量首先考虑天线的欧姆损耗,产生的热流密度,假设天线的接地板散热良好,由于天线的金属贴片传热较快,因此可认为欧姆损耗产生的热量在贴片上均匀分布,利用微带天线的传输线模型,可将介质厚度为h 、宽度为W 、长度为L 的矩形微带天线视为图3所示的平行结构,由于矩形贴片天线的W 通常较大,该结构的等效宽度W ′可用下式计算:W ′=W +1.25t 1+l n 2h /(t /π(4其中,假设微带天线的输入功率为1W ,由贴片的损耗产生的发热功率为:ΔP c =1-e x p -0.2303a (c L (5图3微带天线的等效平行结构其中a c 为用分贝表示的贴片的衰减系数。
在设计微带天线时微带天线的宽度W 通常按照下式确定:·8·第6期郝媛等:相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算W =C 2f rεr +1(21/2=λ0槡22εr +(11/2(6式中:εr 为介质的介电常数,C 为光速,λ0和f r 分别为天线的工作波长和频率,而介质的厚度h 通常满足下式[7]:h ε槡r <λ0/8(7可得当εr >0.05时即可得到W /h >1,显然εr 满足该条件,因此可得:a c =6.1×10-5R s Z 0εe fh [W ′/h +0.667W ′/h W ′/h +1.444]Λ(8式中:Λ=v +h W ′1-1.25t πh +1.25πl n 2πh ([]t ,εe=εr +12+εr -121+12h /(W -1/2-εr -14.6t /h W /槡h,εe f =εr -εr -εe1+Z 0-5(600.5+0.004Z []02μ0f r h /Z (02其中:R s =πf r μ0/槡σ为贴片的表面电阻率,常用的三种导体金、银、铜的表面电阻率分别为3.0,2.5,2.6Ω/c m 2×10-7槡f 。