基于罗特曼透镜的宽带多波束天线系统

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽合肥230088)

摘要:宽带多波束天线系统广泛应用于电子侦察领域。为了实现宽带、宽角扫描,波束形成网络需采用实时延时单元。针对这一需求,介绍了一个由宽带天线阵列、射频前端和罗特曼透镜等组成的宽带多波束天线系统,详细描述了系统的组成及工作原理、单元设计、副瓣电平仿真、校正和测试。测试结果表明,系统能够实现多波束的小角度扫描,减小扫描波束的灵敏度损失;在8～12 GHz频率范围、±27°方位覆盖范围内,多波束的峰值副瓣电平达到-20 dB。应用结果表明该系统具有较强的空域抗干扰能力。

0 引言

在复杂电磁环境中,电子侦察系统通常需要同时侦收多个方向的宽带辐射源信号。要实现对多个方向的宽带信号同时接收、测量,就必须采用宽带多波束天线系统。宽带多波束形成方法包括模拟波束形成、数字波束形成和光波束形成。3种方法各有优缺点,模拟波束形成易于工程实现、性能适中、灵活性稍差;数字波束形成灵活性高,但存在定时、抖动和功耗等问题,且受限于元器件水平,瞬时信号处理带宽在1 GHz以下;光波束形成能实现更大的带宽,但动态范围较小[1]。因此,对于瞬时信号带宽达到4 GHz的宽带多波束天线系统,模拟波束形成是当前工程应用的一个较好选择。

罗特曼透镜是一种低剖面、轻重量、小体积的实时延时网络,能够在宽角扫描条件下实现宽带信号合成。基于罗特曼透镜的多波束天线系统具有全方位截获概率大、测向精度高、动态范围大、灵敏度高的特点[2],而且设备量适中,因此,非常适合在体积、重量和功耗要求较高的机载平台上使用。

1 系统组成

该系统采用一维相控阵体制,俯仰向直接合成,方位向同时多波束。系统由宽带天线阵列、射频前端和罗特曼透镜等组成,其原理框图如图1所示。其中,宽带天线阵列由16个列线源和1个校正网络组成,宽带天线阵列、16个射频前端和1个阵面监控集成为有源天线阵面;波束形成网络是16单元输入、16波束输出的罗特曼透镜。

2 单元设计

天线单元采用微带天线,单元形式为偶极子,其仿真模型如图2所示。该单元适于采用印刷电路技术大批量生产,加工精度高;同时,馈电方式灵活,易于与有源器件和电路一体化集成。

按工程实现形式,罗特曼透镜包括平行板透镜[3]、微带/带状线透镜[4-6]和基板集成波导透镜[7]等。文献[3]给出了最早的透镜设计方程;文献[8]对透镜设计方程进行改进优化;文献[9]中描述的微带透镜的设计参数如图3所示,曲线Σ1、Σ2分别排列波束端口和阵列端口。

文献[9]给出的微带透镜设计方程如式(1)～(3)所示,其基本原理是等光程原理,即任意由F1点发出的电磁波经过

传播的光程是相等的。

式中,εr和εeff分别为基板的相对介电常数和微带线的等效介电常数。

以微带或带状线形式实现的罗特曼透镜,电路简单,制造工艺比较容易,成本低,因而得到了越来越广泛的应用[10]。本文设计的透镜是微带线形式的,经仿真后的微带版图如图4所示,图中左侧为波束端口,右侧为单元端口。

射频前端主要完成列合成信号的限幅放大、滤波、移相和衰减等功能,其设计需要对增益、噪声系数、动态范围和幅相一致性等指标进行综合考虑和权衡。本设计中的射频前端采用微波单片集成电路和微带板实现,其框图如图5所示。

3 副瓣电平仿真

在系统设计过程中,针对系统的关键指标——副瓣电平进行仿真,对系统的幅相误差分解并约束模块的设计指标。仿真条件如下:在±27°扫描范围内,峰值副瓣电平要求不大于-20 d B;单元方向图假设为余弦函数;阵列口径使用30 dB泰勒加权,且权值量化为0.5 d B的整数倍。对系统的副瓣电平指标进行200次仿真,中心频点10 GHz的法线波束和27°扫描波束仿真结果如图6所示,法线波束的峰值副瓣电平为-21.3 dB,27°扫描波束的峰值副瓣电平为-20.1 d B。

图6 中心频点10 GHz的副瓣仿真结果

根据仿真结果,对系统的各组成单元幅相误差(最大值)分解如下:列线源的幅相误差1 dB、10°,射频前端的幅相误差1.5 d B、15°,多波束网络的幅相误差1.5 d B、10°。

4 校正

宽带有源多波束系统装配完成后,为了去除系统的固有幅相误差,需要对系统进行校正。该系统运用FFT反演算法[11]进行校正。使用微波暗室平面近场测试系统的探头发射信号、被测系统接收信号,采集被测系统中间波束的近场幅度、相位值,计算天线系统口径的幅度和相位值。进而得到系统中各单元的幅度和相位补偿码值。

以中心频率10 GHz、中间波束为基准进行系统校正和补偿,校正后测量的系统口径幅度和相位分布与理想的幅度和相位分布对比如图7所示,其中理想的幅度分布为30 dB的泰勒加权。

5 测试结果

系统完成设计、装配和调试后,进行了相应的测试,以下给出系统应用的10个波束(波束4～

以中心频点10 GHz为例,4～13波束的方向图如图8所示。为了减小波束扫描的灵敏度损失,系统应用时,调整射频前端中的非色散移相器可进行小角度扫描。

系统初始设计输出的4～13波束覆盖±27°空域,而经过小角度扫描(3°)调整后,4～13波束覆盖-24°～+30°空域。

在微波暗室中,进行天线系统的方向图测试,处理得到多频点、4～13波束的副瓣电平。表1为天线系统的副瓣电平测试结果,测试频率步进为1 GHz。

在该系统应用中,8～1 2 G H z、±2 7°空域覆盖范围内,多波束副瓣电平能达到-2 0 d B。

表1 副瓣电平测试结果 d B

6 结束语

本文针对一个基于罗特曼透镜的宽带多波束天线系统进行论述,介绍了系统组成、罗特曼透镜的实现原理和微带透镜方程,分析了射频前端的设计思路,通过副瓣电平仿真,对列线源、射频前端和罗特曼透镜的幅相误差进行分解。从系统校正后的测试结果看,系统具有较强的抗干扰能力和灵活的波束调度能力,具有一定的应用前景。

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XIANG Haisheng1,2,YANG Yuchen1,LU Xiaopeng1,2,WAN Xiaomei1,YU Feng1,LIU Hao1,MO Li1,ZHANG Qi1
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

Abstract:Wideband multiple-beams antenna system has been widely used in electronic reconnaissance domain.In order to achieve wideband and wide-angle scanning,beamforming network should use true time delay device.In view of this requirement,a wideband multiple-beams antenna system is proposed,which includes wideband antenna array,RF front-end and Rotman lens,etc.The composition,element design,sidelobe simulation,calibration and testing of system are described in detail.The test results show that the system can achieve small angle scan of multiple-beams,and reduce the sensitivity loss of scan beams.The maximum sidelobes of multiple-beams are less than-20 dBin the range of 8～12 GHz and±27°scan angle.The application results show that the system has quite strong ability of anti-jamming in space domain.

向海生男,1982年出生于河南潢川,博士,高级工程师,主要从事微波系统及宽带数字接收设计工作。E-mail:xhshhy@163.com