一种二次雷达大垂直口径天线的电讯设计

一种二次雷达大垂直口径天线的电讯设计

汪旭东，徐涛（安徽四创电子股份有限公司，合肥230088）一种二次雷达大垂直口径天线的电讯设计汪旭东，徐涛（安徽四创电子股份有限公司，合肥230088）本文分析了一种二次雷达大垂直口径天线的电讯设计方法，包括列馈、行馈的设计，介绍了和波束、差波束、控制波束的设计思路及仿真结果。通过实际的工程样机测试，验证了设计方法的有效性和实用性。大垂直口径天线；二次雷达；和波束；差波束；控制波束1引言S模式单脉冲二次雷达天线是二次监视雷达非常重要的组成部分，它对整机系统性能起到决定性的作用。大垂直口径天线技术是二次雷达系统的革命性技术，其最大的特点就是减少了由于反射造成的虚假目标和多径造成的威力盲区。同时，为了适应单脉冲技术体制测角的要求和进行副瓣抑制的需要，天线在水平方向上具有∑，Δ，Ω三波束。S模式单脉冲二次雷达天线主要由列馈辐射单元、行馈合成网络、背向单元、射频同轴电缆、箱体结构件、支架等组成。和波束利用前向35个列线源形成具有高增益、低副瓣、窄波束覆盖的笔形波束，以确保可靠的发现目标并进行监测和跟踪；差波束利用阵列两边各18个列线源形成单脉冲波束，中间为零深，并利用差波束的零点来精确确定目标的方位；副瓣抑制波束利用全部的前向和后向共36个列线源，通过特定的幅相分布形成类似的全向波束，实现对和波束副瓣的匿影，以防止天线副瓣对询问信号响应而出现多点应答现象。三个波束在垂直面具有相同的波束形状，通过采用大垂直面口径对垂直面方向图进行优化，形成余割平方波束覆盖，同时在低空锐截止并形成低副瓣，减小打地能量，降低地面反射的影响。2系统组成原理框图天线系统组成原理框图见图1。3列馈辐射单元垂直面波束是由35个列馈和1个背向单元形成的，各个列馈具有相同的结构和电性能，被三个通道共用，具体的要求是在垂直面形成满足空域覆盖的余割平方波束，同时在低空锐截止并形成低副瓣。在设计时每个列馈采用11个偶极子单元，单元间距为150mm，通过板线功分网络进行馈电，形成满足要求的波束覆盖。单根列馈的水平方向图见图2，垂直方向图见图3。和波束在设计时采用35个单元的-38dB泰勒加权分布，在实际的工程实现时，为了兼顾差波束的波瓣特性，我们对其幅度分布在边上的8个单元进行了修正，理论计算方向图见图4，由仿真的情况可以看到，幅度分布修正后计算的方向图的最大副瓣在-35dB的量级。图1天线系统组成原理框图图2列馈的水平方向图图3列馈的垂直方向图图4理论计算和波束方向图差波束在设计时采用35个单元的－38dBBayliss分布，以实现较低的副瓣电平。在工程设计时采用修正后的Bayliss幅度分布，理论计算的远场方向图见图5。图5理论计算差波束方向图副瓣抑制波束基本形成一个全向波束，其中前向中间（第18路）列线源的能量通过抑制通道耦合器经和通道能量耦合而来，其耦合度满足和波束泰勒分布时中间通道的能量比，因此耦合度为中间单元和其他34个单元的功率之比，则耦合度为-11.79dB。副瓣抑制通道工作时，主要能量经过背向线源耦合器馈电给背向列线源，耦合能量到前向第18路线源，同时通过抑制通道耦合器耦合的能量经过和波束合成网络到前向其他的34个列线源，提供泰勒加权分布。对于相位来说，中间第18路线源与其他34路线源反相，这样就形成了具有在和波束主瓣区间凹口，其他方位全向的副瓣抑制波束实现对和波束副瓣干扰的抑制。远场方向图参见图6。背向线源耦合器的耦合度为-3dB。图6理论计算控制波束方向图根据以上对三个通道波束的考虑，我们对三个波束的理论计算方向图的相对增益予以归一化考虑得出如图7所示的和、差、控制各通道波束远场方向图的相对应关系。图7水平三波束方向图4行馈网络二次雷达天线的行馈是空管二次雷达天线的重要组成部分，作为馈源的功率分配网络，它为雷达天线提供特定的幅相分布，使之实现需求的增益及波瓣特性。在设计时，利用混合环的特性，使得和、差和副瓣抑制通道共用一个功率功分/合成网络；在有限的空间内，将功分器与混合环一体化设计，减少信号的往返、缩短信号传输路径，由此降低网络损耗、提高天线系统增益。考虑到实际加工的困难与网络布线的方便性，我们将行馈网络从结构上分成四个部分：左边馈、右边馈、中馈1、中馈2。其中，左右边馈为镜像对称结构，均采用独立盒体封装。为了实现天线阵面外观的整体性，减小电缆组件连接的长度，馈电网络均放置在天线背面的盒体内。同时，考虑到损耗及功率容量等因素的限制，馈电网络均采用空气带状线的形式，这种形式的网络相位均匀，损耗小，功率容量大。网络中以Gysel功分器、Wilkinson隔离型功分器作为单元电路，抑制网络内部的多次反射，使网络各输出端口的幅度和相位控制达到所期望的精度。图8为行馈中的混合环功分器。图8混合环功分器4.1网络结构参数分析馈电网络拟采用双层板线结构形式，盖板采用铝蒙皮蜂窝板结构，在增加网络刚度的同时尽量减轻其重量。根据功率承受要求，网络内腔高选为8mm，内导体采用厚度为1mm的高强度铜板线切割成所要求的电路图，加工精度可以控制在0.05mm。4.2空气带线的功率容量分析按照发射机输出峰值功率2kW，占空比10%考虑。该能量通过中馈1和中馈2的功率分配后再到左、右边馈及第18路列线源，构成和波束形成网络。根据和波束单元激励幅度要求，可以计算得到：和波束形成网络总口和分口需要承受的最大峰值功率分别为2000W（平均功率为200W）和132.4W（平均功率为13.2W）。根据有关文献中给出的空气介质圆角导带带状线最大功率容量的估算公式式中，b为空气带状线两外导体的内表面间距0.8cm；t为空气带状线内导体的厚度0.1cm；Z0为空气带状线的特性阻抗；S为带状线上的最大电压驻波系数2.0；P为标准大气压1atm。计算得出本网络带状线的击穿功率容量为（50W）700kW，考虑到海拔高度、气温等环境因素对于系统功率容量的影响，得出本网络的击穿功率容量为75kW，因而完全能够满足系统功率容量的指标要求。5天线外形图及技术指标图9天线外形图天线外形图见图9，天线的主要技术指标如表1所示。表1天线主要技术指标6结束语本文给出了一种二次雷达大垂直口径天线的电讯设计方案及工程经验参考，经过大量的仿真计算、微波暗室测试及工程试验，达到了相关的国家标准并满足了工程使用要求。[1]张尉．二次雷达原理．北京：国防工业出版社，2007[2]王建，郑一农，何子远．阵列天线理论与工程应用．北京：电子工业出版社，2015[3]钟顺时．天线理论与技术（第2版）．北京：电子工业出版社，2015[4]（美）ReinholdLudwigandPavelBretchko著．王子宇，张肇仪，徐承和译．射频电路设计--理论与设计[M]．北京：电子工业出版社，2002[5]中国民用航空总局．空中交通管制二次监视雷达设备技术规范MH/T4010-2006ATelecommunicationsDesignofaLargeVerticalApertureAntennainMonopulseSecondarySurveillanceRadarWangXudong,XuTao

(AnhuiSunCreateElectronicsCo.,Ltd.,Hefei,230088)ThispaperanalyzesaTelecommunicationsdesignmethodofaLargeVerticalApertureAntennainMonopulseSecondarySurveillanceRadar,includingDesignofcolumnfeedandrowfeed.ThispaperalsodescribesthedesignideasandemluatorresultofSumBeam、DifferenceBeam、ControlBeam.Throughtheactualengineeringprototypetest,Whichprovesthevalidityandpracticabilityofthedesignm