频率步进相控阵雷达原理与实现方案的研究

宽带相控阵雷达是当前雷达技术的发展方向之一;瞬时宽带相控阵雷达的带宽受孔径渡越时间的限制,会造成雷达波束指向的变化。由于频率步进信号是一种瞬时窄带、合成宽带的雷达信号,可以通过脉间配相的改变解决孔径渡越时间、波束指向变化等问题。文中提出了频率步进宽带相控阵雷达的基本原理,并给出了几种频率步进相控阵雷达的实现方案。     

A low-cost 8 to 26.5 GHz phased array antenna using a piezoelectrictransducer controlled phase shifter

A new phased array antenna of wide bandwidth and good beam scanning angle has been developed using a low cost multiline phase shifter controlled by a piezoelectric transducer (PET) and a stripline fed Vivaldi antenna array. The multiline progressive PET phase shifter has a low perturbation loss of less than 2 dB and a total loss of less than 4 dB up to 40 GHz with a maximum phase shift of 480°. The proposed phased array antenna consists of four E- or H-plane Vivaldi antennas, a PET phase shifter, and a power divider. The phased array shows a wide beam scanning capability of ±27° over a wide bandwidth from 8 to 26.5 GHz covering X, Ku, and K bands     

一种基于压控移相技术的低成本相扫天线

研制了一种基于铁电体压控移相技术的低成本相扫天线阵列,该天线采用空间馈电透镜型式,省去复杂的馈电网络,减少移相器/TR组件数量,能显著降低相控阵天线的制造成本。介绍了空馈铁电体透镜相控阵天线系统的组成及其特点。对透镜天线关键部件的设计作了详细阐述,给出了12列铁电体空馈透镜天线阵列的实验结果,结果表明:在X波段,研制的铁电体透镜天线阵列在10%频带内可实现天线波束±45°的电控扫描,各扫描状态的输入驻波比小于1.4。     

宽带相控阵天线延迟线分析

采用频率无关移相器的相控阵天线的波束指向会随频率发生变化,实时延迟线是提高宽带相控阵天线波束指向精度的重要方法。分析了子阵级采用延迟线,单元级使用移相器的宽带相控阵天线副辫特性,发现当工作频率改变时,由于阵列存在周期相位误差导致天线副瓣电平抬高。针对此问题,提出单元级精细延迟线方案,消除周期相位误差对天线副瓣的影响。仿真结果表明,这种方法在扩展相控阵天线带宽的同时,明显改善了天线的副瓣特性。     

一种串馈的非规则天线阵

均匀规则阵列天线的副瓣电平较差,且波束宽度较宽,不太适合于一维高精度相控阵雷达系统.针对这些要求,提出了一种基于串联馈电网络结构的非规则天线阵列.该阵列采用串馈方式,结合带空腔的微波多层板技术,通过带状线缝隙耦合方式,避免了背向辐射,同时获得宽带特性.该阵列采用遗传算法对阵列进行优化,获得低于-18 dB的理论副瓣电平,同时相比均匀规则阵而言,波束宽度仅有0.2°的拓宽.对于20°的波束宽度而言,该波束宽度扩宽量可以忽略不计.该阵列的实测2:1驻波带宽为19.8%,方向图带宽为12.2%,在方向图带宽内,阵列的实测副瓣电平低于-16 dB,阵列的带内测试增益高于11.7 dBi,实测结果和理论设计相吻合,表明该天线阵列适用于一维相控阵天线.     

低互耦星载相控阵天线设计

介绍了一款工作于Ku频段的低互耦星载相控阵天线的设计方法, 采用在阵列单元周围加载金属腔体的方式降低阵列单元之间的互耦效应, 从而改善相控阵天线的方向图扫描特性.针对相控阵天线在二维±60°范围内低副瓣波束扫描的特点, 对5×5子阵和16×16阵列进行了研究, 验证了阵列的互耦降低方法的有效性和电性能.研究结果表明:相控阵单元间互耦小于-16 dB, 而相控阵单元在15.1~16.8 GHz电压驻波比小于2, 相对带宽11%;在频率为f₀±500 MHz范围内, E面3 dB波束宽度大于98°, 5 dB波束宽度大于113°, H面3 dB波束宽度大于113°, 5 dB波束宽度大于122°.在仿真设计的基础上, 研制了子阵天线试验样机, 测试结果与设计结果吻合良好, 证明了降低互耦方法的有效性, 天线单元方向图满足在±60°范围内波束扫描的要求, 可应用于相控阵雷达系统.     

圆环相控阵天线瞬时带宽的分析与计算

相控阵天线需要足够的瞬时带宽以满足无线通信系统的性能要求.分析了限制圆环相控阵天线瞬时带宽的影响因素,主要包括频率变化引起的天线波束指向偏差和天线孔径渡越时间对瞬时带宽的限制.比较了圆环相控阵天线与线阵相控阵天线瞬时带宽的异同,并给出了圆环相控阵天线瞬时带宽的计算方法,为圆环相控阵天线的设计提供了理论指导.     

一种低成本星载宽角扫描相控阵天线设计

设计了一种工作于X频段的星载圆极化相控阵天线。相控阵天线单元的馈电探针与连接器进行了一体化设计,消除了焊点,提高了阵面的可靠性;同时阵列单元周围加载金属腔体结构,降低了单元间的耦合,展宽了天线波束,提高了阵列的扫描增益;阵面为全金属结构,可实现相控阵的均温性与内部热量的辐射,阵面自身具有较强的空间抗辐照能力,同时也能对相控阵内部的有源器件提供良好的辐照屏蔽。相控阵有源组件和合成网络采用瓦片架构,具有轻量化和低剖面的特点。所设计相控阵天线具有±60°宽角扫描能力和4%的工作带宽。     

基于微波光子收发共用真时延网络的相控阵波束合成

针对相控阵雷达宽带宽角波束扫描普遍存在的孔径渡越和波束倾斜的问题,提出了一种基于微波光子技术的相控阵波束形成网络系统,该系统采用收发共用的延时方式,在保证收发波束指向高度一致的同时也减少了系统的设备量。建立了16通道的收发共用的波束扫描系统进行实验验证,实现了X频段范围内的±30°的收发波束扫描,不存在波束倾斜现象,接收和发射波束指向高度一致,结合雷达系统分时收发工作的特点,可有效提升相控阵雷达系统的扫描探测能力。     

MSW applications for phased array antennas

A potential application of MSW technology lies in the area of time delay for future low-sidelobe wide-bandwidth phased array antennas. High-precision MSW electronically tunable analog time-delay units in transmit/receive modules in phased arrays have the potential of greatly enhancing antenna system capabilities, by increasing instantaneous operating bandwidth and decreasing sidelobe levels, over phased array systems using only phase shifters or switched lines for beam steering and control. This paper provides a status report of MSW time delays for such arrays.     

有源相控阵天线瞬时宽带性能改善研究

采用无色散特性的模拟或数字移相器会导致天线波束指向随频率发生变化,即相控阵天线的孔径效应。工程上一般在子阵级别上采用色散特性的实时延迟线拓展相控阵天线瞬时带宽,但是子阵级延时量化误差会产生周期性栅瓣,导致天线副瓣性能恶化。文中提出在通道(或多通道收发组件)上设置小位延迟线、与子阵级大位延时线叠加使用,消除或改善子阵级延时误差造成的性能恶化。结合X波段有源二维阵列天线,对单元级、子阵级、子阵+单元两级三种情况进行了仿真。仿真结果表明,子阵+单元两级延时方法在扩展相控阵天线瞬时带宽的同时,能明显改善相控阵天线的副瓣特性,且具有较强的工程可实现性。     

宽带阵列雷达波束合成技术研究

在宽带相控阵雷达天线波束合成时,由于天线孔径渡越时间影响,会引起不同频率分量信号合成的天线波束指向相互偏离,造成信号能量损失。本文提出了一种对宽带信号不同频率分量分别进行补偿的算法,使宽带相控阵雷达在整个信号带宽内形成的天线波束最大增益指向保持不变,确保不同频率分量信号能量有效叠加,以提高宽带相控阵雷达目标探测距离和角度分辨力。     

一种基于5G应用的圆极化微带相控阵天线

本文提出一款应用于5G频段,可实现方位面±40°波束扫描的圆极化微带相控阵天线。该相控阵天线单元是由矩形贴片、上下介质板、缝隙耦合馈电结构、金属反射板构成。利用切比雪夫综合法的一分八不等分功分器实现相控阵天线的馈电形式。测试结果表明,阵列天线的驻波比带宽为3.25 GHz～3.69 GHz,端口隔离度大于25 dB,扫描过程中增益最大为21 dB,增益衰落小于3 dB,最大扫描角处轴比为2.89 dB。该天线具有低剖面、高隔离度、高增益以及良好的波束扫描性能等优点。     

一种低剖面宽带宽角扫描阵列天线的设计

基于超材料技术理念,在考虑阵元间互耦效应下,优化设计了一种低剖面宽带宽角扫描阵列天线,使该阵列剖面为最低工作频率的四分之一波长,相对带宽达55%下,工作频段内中心阵元的平均工作效率高达87%以上,30o扫描角范围内的平均有源驻波系数小于2.0,其阵元方向图E面、H面的半功率波瓣宽度大于60o。研制的6伊8阵列样机测试结果说明了阵列天线具有良好的宽带宽角扫描特性,同时该天线具有结构紧凑、重量轻和易于实现的特点,在相控阵雷达天线中有很大的应用价值。     

数字相控阵雷达步进频合成宽带宽角扫描研究

数字相控阵雷达宽带宽角扫描存在波束指向偏差和孔径渡越问题,导致信噪比降低,脉压主瓣展宽,距离分辨率下降.频率步进信号在各脉冲周期内都是窄带信号,是常用的合成宽带信号,可以在获得距离高分辨率的同时降低对雷达瞬时带度的要求,从而降低了对雷达系统的要求.将步进频合成宽带技术应用到数字相控阵雷达,采用子脉冲移频移相方法可以消除波束指向偏差和孔径渡越影响,实现数字相控阵雷达宽带宽角扫描.并通过仿真计算,给出一些对工程实现有用的结论.     

Conceptual Study of Analog Baseband Beam Forming: Design and Measurement of an Eight-by-Eight Phased Array

We report on the design and measurement of an eight-by-eight modular phased array that uses analog quadrature baseband phase shifters. The array is designed for 2.4 GHz and has a few MHz of bandwidth. Though for such frequency, bandwidth and number of elements, digital beam forming is still feasible with contemporary analog-to-digital converters (ADC), the design is a proof of concept for analog baseband beam forming and shows that this technique will work at frequencies and bandwidths beyond ADCs capabilities. Besides covering the architecture, implementation and the measurement of the array, the calibration is discussed extensively, as this is an inevitable step in activating the antenna.      

X 波段宽带宽角扫描相控阵天线的设计

设计了一种X波段宽带宽角扫描相控阵雷达系统的小型阵列天线,该天线采用Vivaldi 天线做为阵列单元。在考虑阵列单元间的互耦效应下,仿真设计了9*9 小型阵列天线,使该阵列天线在相对带宽达40%下的有源驻波系数小于2,其有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度分别达到120度、110度以上。对9*9天线阵的实物进行了加工与测试,测试结果说明了该阵列天线具有良好的宽带宽角扫描特性。因该天线结构简单,重量轻,在相控阵雷达天线中有很大的应用价值。     

加载调流电感的超宽带紧耦合阵列天线

基于阵列天线依靠阵元间电磁耦合拓展带宽的理论,提出阵元调流电感加载技术,设计一种新型超宽带相控阵天线。相比于一般紧耦合阵列天线,将工作带宽从5 倍频程提高至8. 8 倍频程。通过对天线进行加工与测试,验证其具备良好的波束特性和较高的辐射效率。其结果是该阵列天线可广泛应用于具备侦察、干扰、探测、通信等多功能电子系统。     

一种宽带光控相控阵天线实验系统

本文介绍了一种宽带光控相控阵天线实验系统,阐述了采用光学技术控制的S波段96单元阵列的系统设计与性能,重点说明该系统的宽带特性.该系统采用了一种基于RF开关的五位光延迟网络实现宽的瞬时带宽.实验结果表明,在2.5GHz~3.5GHz频带内,波束指向未出现偏移.     

相控阵雷达受孔径渡越时间影响的研究

在线性调频信号的基础上分析了相控阵雷达工作时孔径渡越时间对其的影响。在时域和频域进行分析,结果表明孔径渡越时间会引起波束偏移和接收信号带内功率降低。根据对波束指向的要求,提出了孔径渡越时间对相对带宽的限制。通过对回波频谱的分析,提出孔径渡越时间会引起频带边缘功率衰减和脉冲压缩后主瓣展宽。根据对功率衰减的要求提出了对雷达带宽的具体约束条件。仿真结果表明,宽带相控阵雷达工作时需要更加严格的约束。