第28卷 第12期2006年12月
文章编号:1001-506X(2006) 12-1816-03
系统工程与电子技术
Systems Engineering and Electronics Vol. 28 No. 12Dec. 2006
导引头共形相控阵天线新技术
何庆强, 王秉中, 殷忠良, 何 俊, 辛玉霞
(电子科技大学应用物理研究所, 四川成都610054)
摘 要:研究了导引头天线新的发展方向-导引头共形相控阵天线。详细讨论了导引头共性相控阵实现的可能性, 探讨了导引头共形相控阵天线的分析方法和综合方法, 指出在导引头上应用共形相控阵不但能从根本上解决机械扫描天线的局限性, 大大提高其扫描速度、扫描范围, 而且在隐身、抗电子干扰、远距离目标跟踪、自我防御等方面也具有不可替代的优势。
关键词:相控阵; 共形; 雷达散射截面; 超宽带; 导引头; 天线
中图分类号:T N92 文献标识码:A
New technology of seeker conformal phased array antenna
H E Qing -qiang, WANG Bing -zho ng , YIN Zho ng -liang, H E Jun, XIN Yu -x ia
(Inst. of A pp lied Physics, Univ. of Electronic Science and Technolog y of China, Chengdu 610054, China) Abstract:A new developing direction of seek er conformal phased array antenna is given. T he possibilities
of realization and design met hods are investigated in detail. A nd t hen, t he advantages of applying conform al
phased array t echnique in seeker are indicated, w hich not only solves t he lim it ation of conventional m echanical scanning but also enhances enormously scanning speed and scope. At th e sam e tim e, it has a particular superior -ity in t arget stealt h, ant-i electronic jam ming, track ing long target and sel-f defense.
Key words:phased array; conformal; RCS; ultra -w ideband; seeker conformal; antenna
0 引 言
现代军事装备高新技术应用不断增多, 对其电子系统的体积、重量、性能的要求越来越严格, 特别是机载、星载以
及各类武器系统所需要的电子组件、部件更向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在性能方面, 迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS) 小、具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。尤其在导弹导引头上, 为了提高其生存力、战斗力, 天线设计必须以小型化、低剖面、高性能、低RCS 为前提。
从大量的文献资料来看, 导引头天线从20世纪50年代到80年代经历了三次变革, 从锥扫体制到单脉冲抛物面天线, 进而发展到平面波导型阵列天线, 其技术性能如表1所示。这些天线的效率和跟踪精度虽有极大提高, 但扫描方式却始终是基于精密万向伺服跟踪系统来完成。这种机械扫描雷达天线视角小且旋转太慢而不能跟踪间隔范围大的目标、搜索雷达、干扰源和隐身目标; 同时, 传统的锥扫天线和单脉冲天线角跟踪体制体积都非常庞大, 占据大量的头部空间, 不利于其它探测器和辅助设备的安置, 并且在抗
收稿日期:2005
1205; 修回日期:200604
03。
先进干扰、隐身等方面不具优势。
表1 各代导引头天线的技术指标
指标天线口径/mm 天线效率(%) 天线增益/dB 副瓣电平/dB 波瓣宽度/b 扫描方式
-7~-1412~20机械扫描第1代140~15030~35
第2代150~26040~5520~22-14~-2010~14机械扫描
第3代250~50055~6526~27-20~-258~10机械扫描
近些年来, 在面对抗击低空、高速、大机动、多目标和各种手段的电子战上, 电子扫描的相控阵比万向伺服跟踪系统扫描的阵列天线具有更突出的优势。在导引头上使用相控阵, 其跟踪精度和速度将产生质的飞跃, 既可以解决多目标跟踪的难题, 又可以省去复杂的精密万向伺服跟踪系统, 这是国外新一代导引头天线发展的标志。
1 共形相控阵可实现性分析
作为装在万向支架上的天线, 平面阵列在导弹导引头上具有公认的地位, 为减少由于机械扫描引起的问题, 许多
基金项目:国家自然科学基金(90505001) , 电子科技大学创新团队基金资助课题。
作者简介:何庆强(1977) , 男, 博士研究生, 主要研究方向为电磁场理论与天线技术。E -mail:heqingqiang518@s ohu. com
第12期何庆强等:导引头共形相控阵天线新技术
#1817 #
研究者考察了相控阵应用的可能性。通过相位控制使波束
偏离导弹轴线扫描, 虽然这类阵列已在地面系统中建成, 但在雷达制导武器上, 尤其在导弹导引头上尚未得到应用。为实现共形、满足宽角扫描和改善天线系统的填充密度, 相控阵对导引头系统具有重要意义。1. 1 双模/多模体制分析
随着信息技术的飞速发展, 传统的单模导引头已难以适应现代战争的要求, 采用多模导引头是一种有效的途径[1], 它可以同时兼顾微波、毫米波、红外等多频段工作, 可以大大提高导弹的搜索范围及搜索精度。由于多模体制将采用多个导引头, 这给导弹头部空间带来了极大的挑战。为了克服导引头相互之间的信号串扰, 同时兼顾飞行器空气动力学的要求, 在两个导引头分享一个公共头锥的情况下, 可在弹锥外面安装共形相控阵天线, 导引头内部空间留给红外(IR) 导引头, 这种方式可以消除导引头内的全部运动部件, 既减少了弹体重量又减少了所需的弹体空间, 非常适合未来导引头的发展动向。1. 2 从雷达制导方式上分析
近几年, 微电子技术的突破性进展为毫米波应用于导引头提供了坚实的基础, 毫米波主动式雷达导引头是精确制导的重要分支。与微波导引头相比, 毫米波导引头具有体积小、重量轻、频带宽、增益高、波束窄、制导精度高、角分辨力强、抗干扰性能好、反隐身性能好等优点。因此, 国外早已开展毫米波主动式雷达导引头的研制工作。它的关键技术之一就是毫米波主动式雷达导引头天线。它可以实现/发射后不管0并有对付多目标的能力。由于增加了发射机系统, 因此对天线的结构尺寸限制也就更苛刻, 必须小型化、薄型化、共形化。因为在一个弹径只有200mm 左右, 长度不超过1m 的导引头内要放置2~3套天线系统, 2~3套高频组件、1套数字信号处理系统、1套天线伺服系统以及起辅助作用的电源、屏蔽、转接等装置是十分困难的。1. 3 从导弹生存力/战斗力角度分析
为了提高导弹不被敌方截获的可能性, 有关导引头对雷达波的隐身性能要求也越来越高, 导引头的设计必须以降低RCS 为前提。共形天线从结构方面有利于导引头气动/隐身一体化设计。但是, 作为一个电磁波传感系统, 天线系统必须保证能发射和接收我方电磁波而不易被敌方探测到, 尽可能少地散射敌方雷达波。这是一对很难解决的矛盾。在这种条件下, 仅仅依靠外形隐身、吸波材料隐身已经不能实现良好的天线系统辐射/隐身双重目标。把相控阵技术引入到导引头共形天线阵上, 能有效地达到隐身的目的。第一, 从辐射角度分析, 天线系统在发射和接收我方电磁波时应具有低的被探测率, 而有效的低截获概率的基础是对辐射电磁信号在时域、空域和频域上的有效管理。为了实现对辐射电磁信号在时域、空域和频域上的有效管理, 要求共形天线具备电磁特性可重构的能力, 按需实时地重构天线的时域、空域和频域辐射特性。共形天线由于采, 好的隐身效果。第二, 从被动散射方面考虑, 为了对付来自
敌方的电磁侦察, 应该降低共形天线的RCS 。然而, 要在全时域、全空域和全频域上实现共形天线的低RCS 是不可能的。考虑到敌方电磁侦察在时域、空域和频域上的多样性, 要求共形天线具有散射特性可重构的能力, 能够感知战场电磁环境的变化, 按需实时地重构天线的时域、空域和频域散射特性, 保持动态的低RCS 。共形相控阵技术可以根据敌方辐射来的电磁波, 通过波形发生器按需重构出干扰敌方雷达跟踪的干扰波束, 从而能很好的实现自我防御。1. 4 从技术性能角度分析
传统的锥扫天线和单脉冲天线扫描视角小, 且旋转太慢而不能跟踪间隔范围大的目标、搜索雷达和干扰源; 电子扫描的导引头共形相控阵可以更大范围快速旋转所产生的波束, 进行精确的跟踪与制导。与机械扫描天线系统相比, 电子扫描的共形相控阵系统中的收/发(R/T) 组件与天线阵列均采用面结合安装工艺, 大大降低了微波信号的损耗和串扰, 有效地提高了效率。另一方面, 导引头外部头锥面积比导引头里面的平面阵列面积要大得多, 从而可以设计出性能更好、增益更高的阵列天线。
2 共形相控阵设计方法研究
导引头共形相控阵设计方法可以从以下两个方面来进行研究。
2. 1 阵列分析方法与综合
共形阵与平面阵有很多不同之处。首先, 由于共形阵各阵元的方向图最大值的指向不同, 所以一般情况下方向性乘积定理不适用于共形阵, 这就增加了计算或综合共形阵方向图的复杂性。第二, 由于各阵元在表面上的位置不同, 尤其在锥表面上, 曲面对它们的影响不同, 靠近锥顶的单元受锥顶绕射的影响较大, 对远离锥顶的单元来说, 它所受的影响主要来自附近曲面。第三, 由于每一单元处于不同方向, 这就导致了在空间某一方向上各单元辐射场的极化方向一般是不相同的, 从而可能形成较大的交叉极化分量, 所以共形阵必须考虑交叉极化分量。第四, 对于共形阵当波束扫描到某一方向时, 不是所有的阵元都对主波束有贡献, 所以必须考虑断开或改善对主波束无贡献的单元激励, 以免增加旁瓣电平和降低效率。
目前, 可见报道的共形阵列分析方法可以分为以下几类。(1) 经典方法。这种方法根据经典阵列理论, 把单个辐射单元的贡献一一迭加。这种方法虽可以实现总的方向图, 但当阵列较大时, 会导致很高的计算成本, 甚至无法实际完成。为此某些研究者使用直接数字迭加来定量阵列性能, 有的则利用坐标变换简化迭加公式[2。
(2) 模式分析。阵元周期性间隔的无限平面阵, 可借助于周期性理论加以分析, 当相邻单元之间的相位差相同时, 可以根据周期性理论确定场问题。Borgiott i 引入了圆环和圆柱阵列的本征激励和本征方向图概念[5。由此, 可以, [4]
# #1818
系统工程与电子技术第28卷
图的线性迭加。据根本征激励和本征方向图的概念, 平面阵列分析方法被推广用于导体圆柱上的口径。圆柱外部的场被展开成系数未知的正常模的迭加, 圆柱内部(即阵元馈线内部) 的场也被展开为一组模函数。根据电场和磁场的连续性条件, 在阵列表面上场被匹配, 从而构造出方程组, 求得其场解。
(3) 几何绕射高频近似法。20世纪60年代前后提出的几何绕射理论, 是建立在严格的解析解与几何光学法基础上的一种高频近似法理论。实践表明, 一致几何绕射理论(UTD ) 是分析曲面共形阵的一种行之有效的方法[7]。用这种方法分析共形天线的辐射特性和耦合特性时, 需计算曲面上的爬行波的绕射场。为此, 必须先确定绕射线的轨迹, 即进行射线寻迹, 它是分析的关键。对于可展开曲面(如圆锥、圆柱) 和球, 这种寻迹很简单, Perterson 等人已经进行了较深入全面的研究。
(4) 数值法。由于共形曲面阵的分析远比平面阵复杂, 共形阵列的研究远远落后于平面阵列。同时, 随着计算机速度和性能的提高, 数值方法越来越受到人们的青睐, 使用数值方法来分析共形曲面阵, 可以降低分析问题的复杂度, 使得这一方法已成为当今研究共形曲面阵的主要方式。矩量法、有限元法、优化算法、共形FDTD 以及各种数值方法的混合应用已有较多研究文献。对于与坐标轴一致的共形贴片天线, 通常可以假定贴片的厚度为零厚度, 实践证明这不影响问题分析的结果。由此矩量法得到了较好的应用, 通常的做法是根据边界切向电场为零的条件, 由入射场和贴片电流产生的散射场建立电场积分方程。选取全域基函数, 在贴片电流流动的方向使用正弦函数, 另一方向使用常值, 用Galerkin 法求得其相应解。当贴片与坐标轴成一角度时, 局部坐标系将被建立, 应用相应的坐标变换来建立场方程。当进一步计其贴片径向厚度时, 此时基函数的选取将发生变化, 选用分域基函数, 使用有限元法可以解决场问题。
虽如此, 由于共形相控阵分析与综合的相对复杂性, 共形相控阵技术非常落后于平面阵。另一方面, 目前的共形阵列分析方法几乎均是以圆柱阵列为研究对象, 在柱坐标系统下求得其解, 无法直接用在锥表面或更复杂表面上。因此, 建立实时的可用于复杂的共形相控阵CAD 优化过程的快速、准确模型是该领域刻不容缓的攻关难题。2. 2 阵列单元的分析与设计
用于共形阵的阵元形式和预期的系统类型极为有关, 曾有报道, 若干共形阵元多数无法在导引头上使用。在设计导引头上的共形单元时, 必须充分考虑阵列单元的低剖面、小型化, 以能满足飞行器空气动力学的要求。尤其在电
[9]
[10]
[11]
[8]
子战环境下对天线带宽和双极化的要求使得常用的相控阵
辐射单元不再适用, 因为它们的带宽一般不大于30%。而电子扫描的相控阵要求带宽具有超宽带特性。另一方面, 导引头特殊的曲面位置使得阵列单元的辐射特性不是对相控阵主波束都有贡献, 必须设法改善对主波束无贡献的单元辐射, 采用可重构技术可以控制单元天线的方向图特性, 按需重新构造出符合整体性能的辐射特性。控制自由度的增加, 使得共形相控阵整体性能大为提高。
从已有的阵元来看, 共形单元可以从以下几个方面考虑。(1) 波导开口天线。这类天线目前已有专利, 图1给出了在双模导引头上使用的连续槽波导天线[12], 该天线组成的阵列在方位面内通过Butler 矩阵和移相器实施相控扫描; 俯仰面上通过频率控制器实施频扫。这种槽天线的带宽典型值可以做到30%, 能工作在S 波段和Ka 波段, 具有低副瓣特性。
(2) 微带天线。微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、易于与系统集成等特点, 近年来被广泛用于导弹、飞机、卫星、火箭等飞行器上。同时由于微带天线自身频带窄、损耗大, 单个微带天线功率容量低、介质基片对性能影响大等特点, 往往又需要加以改进, 如加寄生贴片、使用短路针、采用双层或多层结构、贴片开槽等。图2给出了一种用于导引头上的紧凑共形微带开槽天线
[13]
, 这种天线非常
适合目前的多模导引头天线系统。而当需要圆极化时, 辐射元可选用印刷螺旋形, 因为它在宽带内具有良好性能。这种螺旋一般用四分之一波长背腔构成, 通过微带巴伦馈电。它的问题是如何制造才能与共形的概念相适应, 文献[14]给出了利用多芯片组件技术集成的共形螺旋天线。
(3) 共面波导馈电型。共面波导是一种可以采用微带加工工艺的传输线, 但改进了对场的束缚, 从而减小了交叉极化和互耦。共面波导与辐射缝隙能够组合成多种宽带天线单元形式, 利用共面波导对渐变缝隙天线馈电, 还可以实现双频段、多频段工作。图3给出了一种共面波导馈电混合耦合缝隙天线, 它具有双频段宽带的特性。由一个共面波导馈电电容耦合环缝隙天线和共面波导馈电电感耦合振子缝隙天线组成。两种不同的缝隙分别决定天线的两个频段, 其-10dB 阻抗带宽约为35%。图4是一种典型的共面波导馈电印刷宽缝天线,
它采用蝶形宽缝隙, 并在蝶形缝隙的中心位置横向设计一个矩形金属贴片。调节金属贴片的长宽尺寸, 可以方便地调节天线的输入阻抗和方向图的交叉极化。这种天线具有40%的阻抗带宽。
[15]
[16]
第12期何庆强等:导引头共形相控阵天线新技术
and Pr op aga tion , 1981, 25(2) :911
922.
#1819 #
3 结 论
本文文对导引头天线新的发展方向作了详细的讨论, 分析了导引头共形相控阵天线的实现可能性, 详细探讨了导引
头共形相控阵天线的阵列分析与设计方法, 和阵列单元的分析与设计问题以及相应的研究现状。未来导引头天线, 必将向多模、共形集成、超宽带、高效率、隐身/反隐身等目标方向发展; 频段将由微波段向毫米波段延伸; 制导方式必将是主动式、半主动式和被动式的复合应用。可见, 加速研制适应这些新体制、新技术的导引头共形相控阵天线迫在眉睫。
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表2 MS D 、CF 、CCF 和FS 方法的性能比较表
算法M SD C F CCF FS
抗加性变化
差较差好较好
抗乘性变化
差好较好较好
错判不易易易不易
漏判易不易不易不易
速度快较快较慢较慢
[15]Llor ens D, Otero P, Cam acho -Penalosa C. Du a-l band, sin gle
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必须指出, FS 方法的主要问题在于速度, 这是同时引入了三个相似度所带来的副作用。然而, 一旦采用本文提供的FS 简化算法即可在一定程度上消除由于计算的时间加长产生滞后所带来的跟踪偏差问题, 使得图像匹配跟踪系统向实用化又迈进了一步。
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文章编号:1001-506X(2006) 12-1816-03
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关键词:相控阵; 共形; 雷达散射截面; 超宽带; 导引头; 天线
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及各类武器系统所需要的电子组件、部件更向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在性能方面, 迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS) 小、具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。尤其在导弹导引头上, 为了提高其生存力、战斗力, 天线设计必须以小型化、低剖面、高性能、低RCS 为前提。
从大量的文献资料来看, 导引头天线从20世纪50年代到80年代经历了三次变革, 从锥扫体制到单脉冲抛物面天线, 进而发展到平面波导型阵列天线, 其技术性能如表1所示。这些天线的效率和跟踪精度虽有极大提高, 但扫描方式却始终是基于精密万向伺服跟踪系统来完成。这种机械扫描雷达天线视角小且旋转太慢而不能跟踪间隔范围大的目标、搜索雷达、干扰源和隐身目标; 同时, 传统的锥扫天线和单脉冲天线角跟踪体制体积都非常庞大, 占据大量的头部空间, 不利于其它探测器和辅助设备的安置, 并且在抗
收稿日期:2005
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先进干扰、隐身等方面不具优势。
表1 各代导引头天线的技术指标
指标天线口径/mm 天线效率(%) 天线增益/dB 副瓣电平/dB 波瓣宽度/b 扫描方式
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第3代250~50055~6526~27-20~-258~10机械扫描
近些年来, 在面对抗击低空、高速、大机动、多目标和各种手段的电子战上, 电子扫描的相控阵比万向伺服跟踪系统扫描的阵列天线具有更突出的优势。在导引头上使用相控阵, 其跟踪精度和速度将产生质的飞跃, 既可以解决多目标跟踪的难题, 又可以省去复杂的精密万向伺服跟踪系统, 这是国外新一代导引头天线发展的标志。
1 共形相控阵可实现性分析
作为装在万向支架上的天线, 平面阵列在导弹导引头上具有公认的地位, 为减少由于机械扫描引起的问题, 许多
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作者简介:何庆强(1977) , 男, 博士研究生, 主要研究方向为电磁场理论与天线技术。E -mail:heqingqiang518@s ohu. com
第12期何庆强等:导引头共形相控阵天线新技术
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研究者考察了相控阵应用的可能性。通过相位控制使波束
偏离导弹轴线扫描, 虽然这类阵列已在地面系统中建成, 但在雷达制导武器上, 尤其在导弹导引头上尚未得到应用。为实现共形、满足宽角扫描和改善天线系统的填充密度, 相控阵对导引头系统具有重要意义。1. 1 双模/多模体制分析
随着信息技术的飞速发展, 传统的单模导引头已难以适应现代战争的要求, 采用多模导引头是一种有效的途径[1], 它可以同时兼顾微波、毫米波、红外等多频段工作, 可以大大提高导弹的搜索范围及搜索精度。由于多模体制将采用多个导引头, 这给导弹头部空间带来了极大的挑战。为了克服导引头相互之间的信号串扰, 同时兼顾飞行器空气动力学的要求, 在两个导引头分享一个公共头锥的情况下, 可在弹锥外面安装共形相控阵天线, 导引头内部空间留给红外(IR) 导引头, 这种方式可以消除导引头内的全部运动部件, 既减少了弹体重量又减少了所需的弹体空间, 非常适合未来导引头的发展动向。1. 2 从雷达制导方式上分析
近几年, 微电子技术的突破性进展为毫米波应用于导引头提供了坚实的基础, 毫米波主动式雷达导引头是精确制导的重要分支。与微波导引头相比, 毫米波导引头具有体积小、重量轻、频带宽、增益高、波束窄、制导精度高、角分辨力强、抗干扰性能好、反隐身性能好等优点。因此, 国外早已开展毫米波主动式雷达导引头的研制工作。它的关键技术之一就是毫米波主动式雷达导引头天线。它可以实现/发射后不管0并有对付多目标的能力。由于增加了发射机系统, 因此对天线的结构尺寸限制也就更苛刻, 必须小型化、薄型化、共形化。因为在一个弹径只有200mm 左右, 长度不超过1m 的导引头内要放置2~3套天线系统, 2~3套高频组件、1套数字信号处理系统、1套天线伺服系统以及起辅助作用的电源、屏蔽、转接等装置是十分困难的。1. 3 从导弹生存力/战斗力角度分析
为了提高导弹不被敌方截获的可能性, 有关导引头对雷达波的隐身性能要求也越来越高, 导引头的设计必须以降低RCS 为前提。共形天线从结构方面有利于导引头气动/隐身一体化设计。但是, 作为一个电磁波传感系统, 天线系统必须保证能发射和接收我方电磁波而不易被敌方探测到, 尽可能少地散射敌方雷达波。这是一对很难解决的矛盾。在这种条件下, 仅仅依靠外形隐身、吸波材料隐身已经不能实现良好的天线系统辐射/隐身双重目标。把相控阵技术引入到导引头共形天线阵上, 能有效地达到隐身的目的。第一, 从辐射角度分析, 天线系统在发射和接收我方电磁波时应具有低的被探测率, 而有效的低截获概率的基础是对辐射电磁信号在时域、空域和频域上的有效管理。为了实现对辐射电磁信号在时域、空域和频域上的有效管理, 要求共形天线具备电磁特性可重构的能力, 按需实时地重构天线的时域、空域和频域辐射特性。共形天线由于采, 好的隐身效果。第二, 从被动散射方面考虑, 为了对付来自
敌方的电磁侦察, 应该降低共形天线的RCS 。然而, 要在全时域、全空域和全频域上实现共形天线的低RCS 是不可能的。考虑到敌方电磁侦察在时域、空域和频域上的多样性, 要求共形天线具有散射特性可重构的能力, 能够感知战场电磁环境的变化, 按需实时地重构天线的时域、空域和频域散射特性, 保持动态的低RCS 。共形相控阵技术可以根据敌方辐射来的电磁波, 通过波形发生器按需重构出干扰敌方雷达跟踪的干扰波束, 从而能很好的实现自我防御。1. 4 从技术性能角度分析
传统的锥扫天线和单脉冲天线扫描视角小, 且旋转太慢而不能跟踪间隔范围大的目标、搜索雷达和干扰源; 电子扫描的导引头共形相控阵可以更大范围快速旋转所产生的波束, 进行精确的跟踪与制导。与机械扫描天线系统相比, 电子扫描的共形相控阵系统中的收/发(R/T) 组件与天线阵列均采用面结合安装工艺, 大大降低了微波信号的损耗和串扰, 有效地提高了效率。另一方面, 导引头外部头锥面积比导引头里面的平面阵列面积要大得多, 从而可以设计出性能更好、增益更高的阵列天线。
2 共形相控阵设计方法研究
导引头共形相控阵设计方法可以从以下两个方面来进行研究。
2. 1 阵列分析方法与综合
共形阵与平面阵有很多不同之处。首先, 由于共形阵各阵元的方向图最大值的指向不同, 所以一般情况下方向性乘积定理不适用于共形阵, 这就增加了计算或综合共形阵方向图的复杂性。第二, 由于各阵元在表面上的位置不同, 尤其在锥表面上, 曲面对它们的影响不同, 靠近锥顶的单元受锥顶绕射的影响较大, 对远离锥顶的单元来说, 它所受的影响主要来自附近曲面。第三, 由于每一单元处于不同方向, 这就导致了在空间某一方向上各单元辐射场的极化方向一般是不相同的, 从而可能形成较大的交叉极化分量, 所以共形阵必须考虑交叉极化分量。第四, 对于共形阵当波束扫描到某一方向时, 不是所有的阵元都对主波束有贡献, 所以必须考虑断开或改善对主波束无贡献的单元激励, 以免增加旁瓣电平和降低效率。
目前, 可见报道的共形阵列分析方法可以分为以下几类。(1) 经典方法。这种方法根据经典阵列理论, 把单个辐射单元的贡献一一迭加。这种方法虽可以实现总的方向图, 但当阵列较大时, 会导致很高的计算成本, 甚至无法实际完成。为此某些研究者使用直接数字迭加来定量阵列性能, 有的则利用坐标变换简化迭加公式[2。
(2) 模式分析。阵元周期性间隔的无限平面阵, 可借助于周期性理论加以分析, 当相邻单元之间的相位差相同时, 可以根据周期性理论确定场问题。Borgiott i 引入了圆环和圆柱阵列的本征激励和本征方向图概念[5。由此, 可以, [4]
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系统工程与电子技术第28卷
图的线性迭加。据根本征激励和本征方向图的概念, 平面阵列分析方法被推广用于导体圆柱上的口径。圆柱外部的场被展开成系数未知的正常模的迭加, 圆柱内部(即阵元馈线内部) 的场也被展开为一组模函数。根据电场和磁场的连续性条件, 在阵列表面上场被匹配, 从而构造出方程组, 求得其场解。
(3) 几何绕射高频近似法。20世纪60年代前后提出的几何绕射理论, 是建立在严格的解析解与几何光学法基础上的一种高频近似法理论。实践表明, 一致几何绕射理论(UTD ) 是分析曲面共形阵的一种行之有效的方法[7]。用这种方法分析共形天线的辐射特性和耦合特性时, 需计算曲面上的爬行波的绕射场。为此, 必须先确定绕射线的轨迹, 即进行射线寻迹, 它是分析的关键。对于可展开曲面(如圆锥、圆柱) 和球, 这种寻迹很简单, Perterson 等人已经进行了较深入全面的研究。
(4) 数值法。由于共形曲面阵的分析远比平面阵复杂, 共形阵列的研究远远落后于平面阵列。同时, 随着计算机速度和性能的提高, 数值方法越来越受到人们的青睐, 使用数值方法来分析共形曲面阵, 可以降低分析问题的复杂度, 使得这一方法已成为当今研究共形曲面阵的主要方式。矩量法、有限元法、优化算法、共形FDTD 以及各种数值方法的混合应用已有较多研究文献。对于与坐标轴一致的共形贴片天线, 通常可以假定贴片的厚度为零厚度, 实践证明这不影响问题分析的结果。由此矩量法得到了较好的应用, 通常的做法是根据边界切向电场为零的条件, 由入射场和贴片电流产生的散射场建立电场积分方程。选取全域基函数, 在贴片电流流动的方向使用正弦函数, 另一方向使用常值, 用Galerkin 法求得其相应解。当贴片与坐标轴成一角度时, 局部坐标系将被建立, 应用相应的坐标变换来建立场方程。当进一步计其贴片径向厚度时, 此时基函数的选取将发生变化, 选用分域基函数, 使用有限元法可以解决场问题。
虽如此, 由于共形相控阵分析与综合的相对复杂性, 共形相控阵技术非常落后于平面阵。另一方面, 目前的共形阵列分析方法几乎均是以圆柱阵列为研究对象, 在柱坐标系统下求得其解, 无法直接用在锥表面或更复杂表面上。因此, 建立实时的可用于复杂的共形相控阵CAD 优化过程的快速、准确模型是该领域刻不容缓的攻关难题。2. 2 阵列单元的分析与设计
用于共形阵的阵元形式和预期的系统类型极为有关, 曾有报道, 若干共形阵元多数无法在导引头上使用。在设计导引头上的共形单元时, 必须充分考虑阵列单元的低剖面、小型化, 以能满足飞行器空气动力学的要求。尤其在电
[9]
[10]
[11]
[8]
子战环境下对天线带宽和双极化的要求使得常用的相控阵
辐射单元不再适用, 因为它们的带宽一般不大于30%。而电子扫描的相控阵要求带宽具有超宽带特性。另一方面, 导引头特殊的曲面位置使得阵列单元的辐射特性不是对相控阵主波束都有贡献, 必须设法改善对主波束无贡献的单元辐射, 采用可重构技术可以控制单元天线的方向图特性, 按需重新构造出符合整体性能的辐射特性。控制自由度的增加, 使得共形相控阵整体性能大为提高。
从已有的阵元来看, 共形单元可以从以下几个方面考虑。(1) 波导开口天线。这类天线目前已有专利, 图1给出了在双模导引头上使用的连续槽波导天线[12], 该天线组成的阵列在方位面内通过Butler 矩阵和移相器实施相控扫描; 俯仰面上通过频率控制器实施频扫。这种槽天线的带宽典型值可以做到30%, 能工作在S 波段和Ka 波段, 具有低副瓣特性。
(2) 微带天线。微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、易于与系统集成等特点, 近年来被广泛用于导弹、飞机、卫星、火箭等飞行器上。同时由于微带天线自身频带窄、损耗大, 单个微带天线功率容量低、介质基片对性能影响大等特点, 往往又需要加以改进, 如加寄生贴片、使用短路针、采用双层或多层结构、贴片开槽等。图2给出了一种用于导引头上的紧凑共形微带开槽天线
[13]
, 这种天线非常
适合目前的多模导引头天线系统。而当需要圆极化时, 辐射元可选用印刷螺旋形, 因为它在宽带内具有良好性能。这种螺旋一般用四分之一波长背腔构成, 通过微带巴伦馈电。它的问题是如何制造才能与共形的概念相适应, 文献[14]给出了利用多芯片组件技术集成的共形螺旋天线。
(3) 共面波导馈电型。共面波导是一种可以采用微带加工工艺的传输线, 但改进了对场的束缚, 从而减小了交叉极化和互耦。共面波导与辐射缝隙能够组合成多种宽带天线单元形式, 利用共面波导对渐变缝隙天线馈电, 还可以实现双频段、多频段工作。图3给出了一种共面波导馈电混合耦合缝隙天线, 它具有双频段宽带的特性。由一个共面波导馈电电容耦合环缝隙天线和共面波导馈电电感耦合振子缝隙天线组成。两种不同的缝隙分别决定天线的两个频段, 其-10dB 阻抗带宽约为35%。图4是一种典型的共面波导馈电印刷宽缝天线,
它采用蝶形宽缝隙, 并在蝶形缝隙的中心位置横向设计一个矩形金属贴片。调节金属贴片的长宽尺寸, 可以方便地调节天线的输入阻抗和方向图的交叉极化。这种天线具有40%的阻抗带宽。
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[16]
第12期何庆强等:导引头共形相控阵天线新技术
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922.
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3 结 论
本文文对导引头天线新的发展方向作了详细的讨论, 分析了导引头共形相控阵天线的实现可能性, 详细探讨了导引
头共形相控阵天线的阵列分析与设计方法, 和阵列单元的分析与设计问题以及相应的研究现状。未来导引头天线, 必将向多模、共形集成、超宽带、高效率、隐身/反隐身等目标方向发展; 频段将由微波段向毫米波段延伸; 制导方式必将是主动式、半主动式和被动式的复合应用。可见, 加速研制适应这些新体制、新技术的导引头共形相控阵天线迫在眉睫。
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表2 MS D 、CF 、CCF 和FS 方法的性能比较表
算法M SD C F CCF FS
抗加性变化
差较差好较好
抗乘性变化
差好较好较好
错判不易易易不易
漏判易不易不易不易
速度快较快较慢较慢
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必须指出, FS 方法的主要问题在于速度, 这是同时引入了三个相似度所带来的副作用。然而, 一旦采用本文提供的FS 简化算法即可在一定程度上消除由于计算的时间加长产生滞后所带来的跟踪偏差问题, 使得图像匹配跟踪系统向实用化又迈进了一步。