无人机载Ku波段有源相控阵天线
发布时间：2021-01-17 14:38
设计了一种无人机载雷达的Ku波段有源相控阵天线,分析了有源相控阵天线的系统组成、模块布局和设计思路,实现了高集成、低剖面的有源相控阵天线设计,并可同时实现SAR和GMTI功能。设计了32行线源的宽边纵缝驻波阵形式的波导裂缝阵列天线,通过加脊和分区馈电法扩展了天线的工作带宽。采用FFT反演算法在微波近场暗室中对有源相控阵天线进行了校正补偿。实测结果表明该有源天线可以实现两维-20dB的低副瓣电平,并可在俯仰向实现±60°的相控阵扫描,实测方向图与仿真结果相吻合。本天线具有宽带宽角扫描、低副瓣、低剖面、结构紧凑等优点。
【文章来源】：雷达科学与技术. 2020,18(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
系统组成原理框图
根据天线工作频率和俯仰向单元间距，可以确定脊波导的截面尺寸，进而确定中心频率波导波长λg。由于驻波阵的波导裂缝间距为λg/2，因此根据λg和天线方位向结构包络尺寸可以确定波导裂缝的数目为24个。对于驻波阵波导裂缝天线而言，单根辐射波导上的辐射裂缝数越多则工作带宽越窄[8]。因此，为了进一步扩展工作带宽，并综合考虑整体剖面高度，将24个波导裂缝分为4个子单元，每个子单元6个缝隙，采用中间馈电的形式。单根波导裂缝天线线源的仿真模型如图2所示，为左右对称分布形式。整个天线由3层波导组成，上层为辐射波导，中下两层为馈电波导，采用E-T功分器的形式直接为辐射波导馈电，压缩了天线的剖面高度尺寸，并可方便地调整功分比以控制方位向的口径分布。下层波导将天线的两个馈电端口分别转移至阵面的左右两边缘，为T/R组件、波束形成网络等各模块的排布让出空间。波导裂缝天线的各裂缝相对于波导中心的偏置量、缝长和倾角等参数对应着裂缝的等效阻抗和导纳，决定了波导裂缝天线的驻波和辐射特性，因此各波导裂缝参数的确定是波导裂缝天线设计的关键。本天线线源要求方位向SAR波束的副瓣电平不大于-20dB，拟采用-24dB的Taylor加权。我们采用计算机仿真软件辅助设计的方法[9]，提高天线设计的效率和准确度。首先利用HFSS软件提取波导裂缝端口的S参数，计算等效导纳参数；然后利用Matlab软件计算天线线源口径面的激励电平分布，并转化为各波导裂缝的有源导纳分布，计算出各裂缝的偏置量和缝长参数，建立初步模型；最后在HFSS中进行仿真计算，通过反演算法多次迭代优化设计，调整裂缝参数，可以得到较为理想的辐射方向图和端口驻波[10]。
根据最终的仿真优化模型，设计和制造了32行线源的Ku波段单脊波导裂缝天线阵列，采用多层铝板分别数控加工再整体真空钎焊的工艺方式加工而成。线源间距9mm，在相邻线源之间设置深度为λ/4的扼流槽以抵消位移电流，减小线源之间的互耦，并抑制交叉极化。按照上文所述的Ku波段有源相控阵天线系统组成，完成了波导裂缝天线阵面与T/R组件、波束形状网络等各组成模块的装配，实物照片如图3所示。有源相控阵天线装配完成后，由于器件一致性、加工误差等因素，各有源通道之间存在固有的系统幅相误差，需要对系统进行校正补偿。我们采用基于平面近场微波暗室的FFT反演算法[11]对俯仰向64个有源通道的幅相误差进行了校正补偿。在微波暗室中采集被测天线的近场幅度、相位数据，反演得到口径场的幅相分布，与理论值相比较可以计算得到各通道的幅相补偿码值，进而可以在微波暗室中测试得到校正补偿后的天线方向图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高隔离度的连续波雷达收发天线系统[J]. 周旭,于嘉嵬. 现代雷达. 2019(07)
[2]某型无人机载雷达的结构设计[J]. 王朋,侯守武,刘巍. 电子机械工程. 2016(04)
[3]无人机载雷达现状及发展趋势[J]. 刘亮,吉波. 现代导航. 2014(03)
[4]军用无人机技术的发展现状及未来趋势[J]. 陈黎. 航空科学技术. 2013(02)
[5]无人机用于空军战略预警作战的可行性分析[J]. 张振国,孙旭,孙文峰. 现代雷达. 2012(10)
[6]宽带单脊波导缝隙天线的设计[J]. 张文涛,杨晖,稂华清. 微波学报. 2011(03)
[7]基于HFSS的波导裂缝有源导纳的计算方法[J]. 齐美清,汪伟,金谋平. 雷达科学与技术. 2006(02)
[8]基于FFT校正相控阵天线的角度选择[J]. 邹永庆,曹军,李广忠. 微波学报. 2003(03)
本文编号：2983058
【文章来源】：雷达科学与技术. 2020,18(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
系统组成原理框图
根据天线工作频率和俯仰向单元间距，可以确定脊波导的截面尺寸，进而确定中心频率波导波长λg。由于驻波阵的波导裂缝间距为λg/2，因此根据λg和天线方位向结构包络尺寸可以确定波导裂缝的数目为24个。对于驻波阵波导裂缝天线而言，单根辐射波导上的辐射裂缝数越多则工作带宽越窄[8]。因此，为了进一步扩展工作带宽，并综合考虑整体剖面高度，将24个波导裂缝分为4个子单元，每个子单元6个缝隙，采用中间馈电的形式。单根波导裂缝天线线源的仿真模型如图2所示，为左右对称分布形式。整个天线由3层波导组成，上层为辐射波导，中下两层为馈电波导，采用E-T功分器的形式直接为辐射波导馈电，压缩了天线的剖面高度尺寸，并可方便地调整功分比以控制方位向的口径分布。下层波导将天线的两个馈电端口分别转移至阵面的左右两边缘，为T/R组件、波束形成网络等各模块的排布让出空间。波导裂缝天线的各裂缝相对于波导中心的偏置量、缝长和倾角等参数对应着裂缝的等效阻抗和导纳，决定了波导裂缝天线的驻波和辐射特性，因此各波导裂缝参数的确定是波导裂缝天线设计的关键。本天线线源要求方位向SAR波束的副瓣电平不大于-20dB，拟采用-24dB的Taylor加权。我们采用计算机仿真软件辅助设计的方法[9]，提高天线设计的效率和准确度。首先利用HFSS软件提取波导裂缝端口的S参数，计算等效导纳参数；然后利用Matlab软件计算天线线源口径面的激励电平分布，并转化为各波导裂缝的有源导纳分布，计算出各裂缝的偏置量和缝长参数，建立初步模型；最后在HFSS中进行仿真计算，通过反演算法多次迭代优化设计，调整裂缝参数，可以得到较为理想的辐射方向图和端口驻波[10]。
根据最终的仿真优化模型，设计和制造了32行线源的Ku波段单脊波导裂缝天线阵列，采用多层铝板分别数控加工再整体真空钎焊的工艺方式加工而成。线源间距9mm，在相邻线源之间设置深度为λ/4的扼流槽以抵消位移电流，减小线源之间的互耦，并抑制交叉极化。按照上文所述的Ku波段有源相控阵天线系统组成，完成了波导裂缝天线阵面与T/R组件、波束形状网络等各组成模块的装配，实物照片如图3所示。有源相控阵天线装配完成后，由于器件一致性、加工误差等因素，各有源通道之间存在固有的系统幅相误差，需要对系统进行校正补偿。我们采用基于平面近场微波暗室的FFT反演算法[11]对俯仰向64个有源通道的幅相误差进行了校正补偿。在微波暗室中采集被测天线的近场幅度、相位数据，反演得到口径场的幅相分布，与理论值相比较可以计算得到各通道的幅相补偿码值，进而可以在微波暗室中测试得到校正补偿后的天线方向图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高隔离度的连续波雷达收发天线系统[J]. 周旭,于嘉嵬. 现代雷达. 2019(07)
[2]某型无人机载雷达的结构设计[J]. 王朋,侯守武,刘巍. 电子机械工程. 2016(04)
[3]无人机载雷达现状及发展趋势[J]. 刘亮,吉波. 现代导航. 2014(03)
[4]军用无人机技术的发展现状及未来趋势[J]. 陈黎. 航空科学技术. 2013(02)
[5]无人机用于空军战略预警作战的可行性分析[J]. 张振国,孙旭,孙文峰. 现代雷达. 2012(10)
[6]宽带单脊波导缝隙天线的设计[J]. 张文涛,杨晖,稂华清. 微波学报. 2011(03)
[7]基于HFSS的波导裂缝有源导纳的计算方法[J]. 齐美清,汪伟,金谋平. 雷达科学与技术. 2006(02)
[8]基于FFT校正相控阵天线的角度选择[J]. 邹永庆,曹军,李广忠. 微波学报. 2003(03)
本文编号：2983058
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