单脉冲雷达天线技术评述吴大伟摘要本文根据国内外文献并结合作 者实践体会,比较全面系统地评 述了战术导弹地面制导雷达站中所用单脉 冲反射器天 线的重要技术进展,指出其发展趋势重 点介绍了单脉冲反射器天线研 制中的某些区别于常规反射器天 线的特珠问题,包括最优化设计、缓和和差矛盾的措施、单脉冲加电扫描技术以及多频段共用反针器天线等一、引言单脉冲天线是精密跟踪和制导雷达中广泛采用的一种同时多波束天线它能够同时提供检测角误差信息所 需要的全部波束,实现在单次脉冲回波上比较各波束的输出,从而消除回波起伏对雷达测量精度的影响这种同时多波束天线通常称为单脉冲天线单脉冲天线一般由聚焦装置、馈源和比较器三部分组成比较器属于馈线技术问题,不在本文讨论之列本文着重介绍单脉冲天线中特有的某些问题及其技术进展二、工作原理单脉冲天线按工作方式主要可分为以下三类幅度单脉冲天线它靠比较偏轴波束接收信号幅度调 制来提取角信息相位单脉冲天线它靠比较两个天线接收信号的相位来提取角信息幅相单脉冲天线奋它靠一个平面比较幅度产生误差信号,另一个平面比较相位产生误差 信号其中,幅度单脉冲天线 由于结构合理、电性能好和瞄准轴稳定,应用最为广泛。
经典的幅度单脉冲雷达天线,一般 由四个喇叭馈源和一个反射器组成四个喇叭安装于反射器的焦点附近,每个喇叭都产生偏离轴线的次级波束,利用射频加减电路可使四个喇叭产生的四个波瓣相加得到和波束左边两个波瓣之和与右边两个波瓣之和相减得到方位差波束上边两个波瓣之 和与下边两个波瓣之和相减得到俯仰差波束,如图所示,和波束信号提供 目标的距离信息并作为参考信号差 波束信号作为误差信号,其大小确定了 目标偏轴程度误差信号与和信号的相位差确定 了偏轴方向当天线对准目标时,误差信号为零,此时天线不转动当 目标偏离轴向时,则有误差信号输出,使伺服系统根据输入方位差和俯仰差图经典四嗽叭和差电路示意图的误差信号驱使天线朝正向或反 向转动,直到 自动对准目标为止单脉冲雷达天线 的主要技术指标有距离灵敏度、误差灵敏度和角灵敏度所谓距离灵敏度就是和通道收到回波信号随 目标距离的变化率误差灵敏度则是误差信 号在瞄准轴上的变化率或接收 的差电压在瞄准轴上的斜率角度灵敏度是误差信号随目标 角位置的变化率它们直接与天线的和波束增益、归一化差波束增益有关一部好的单脉冲雷达天线 应满足在天线孔径一定的情况下,和波束应有尽可能高的增益,差 波束应有尽可能高的斜 率和增益,并应适当考虑旁瓣 电平、零值深度、零点漂移、阻抗、带宽和极化特性诸因素。
三、单脉冲 反射 器天线 的优化 设计天线的优化设计,有时可不考虑其他的影响因素,无 约束地使某个参数最佳,有时,则应考虑在特定的约束条件下,使某个参数最佳理论上,通常可用特征值方法或 变 分 法求出对和波束来说,同相等幅分布的增益最高,但旁瓣 也最大此时,矩形孔径天线旁瓣为一分贝,圆形孔径为一分贝对差波束来说,矩形孔径奇次线性分布产生的差波瓣在零值方向斜率最大,相对斜 率差 斜率与最大可能的和电压之比为,此时旁瓣也最高,为一分贝切割正弦分布的边缘馈 电电平为一分贝时,可得差波束的最大效率为,它比最佳和增益低分贝,此时相对斜率为在圆孔径情况下,孔径分布函数为,中二中时,差波束在零值方向斜率最大,相对差斜率为孔径分布函数为,小、“三小时,差增益最大,它比最佳和增益低分贝这些理论指标实际上难于实现,只有助于建立定量的概念然而,由于各个技术参数之间存在着密切 的内在联系,为了满足一定的战术要求,大量的设计问题常常是讨论在有约束条件下的最优化问题道尔夫首先利用切比雪夫分布给出了等距线源在旁瓣或波束宽度约束条件下的最佳和彼束,即对于给定的旁瓣 电平波束宽度最窄或波束宽度给定时旁瓣最低这种分布导 出 了理想的空间因子,其具有等旁瓣的数目趋于无限多,这就要求在有限的孔径某点「附近有趋于无限大的电流分布。
反之,在有限的孔径上,用有限的电流分布不能得到理想的空间因子所以,理想的空间因子实际上是做不到的,无实用价值泰勒修正了道尔夫—切比雪夫分布,使 之在有限的 区域 内有个等值的旁瓣 电平,时,旁瓣电平包络按 指数规律逐渐衰减,从而能付诸实现而且在可见空间范围内,以此种分布得 出的空间因子逼近于理想的空间因子,其波束宽度比道尔夫—切比雪夫方法导出的波束宽度展宽一个的因子另外,有人利用微扰法实现在特 定的旁瓣结构下,波束宽度最窄贝利斯讨论了圆形孔径 天线差 波束的最优化问题,即对于给定的旁瓣 电平,零点差斜率最大的问题其方法是取理 想的和波束进行微商,派生出差波束,然后用微扰法使前面万个旁瓣 电平渐近相等,得 到理想的模拟差波束函数因为它没有逐 渐衰减的旁瓣,不能实现,但所模拟差波束确实代表了理想的差 波束仿照上述泰勒对和波束的修正,贝利斯提 出使模拟差波束的远 区旁瓣逐渐衰减,从而得 到可实现的渐近的差波束这样在可见空间范围内,渐近差波束仍 保持模拟差波束的特性,只是差斜率比模拟差波束的略低一些单脉冲天线最优和差孔径分布时的方向图示于图盈、,住户‘、’‘乓一 行远旁“乙远旁瓣区‘几早丫主瓣最窄斜尔最高沐,户、八卜‘渐近线和波束泰勒分布旅波束贝利斯分布图单脉冲夭线孔径最优照射时的方向图此外,还有人讨论了矩形 和圆形孔径天线中波束效率、增益因子和角灵敏度因子最优化统一形式,发 展了特 征值方法。
对 于特定的天 线来说,不同的质量指标都有其最佳值特定的矩形孔径喇叭馈源 和矩形孔径天线,当满足①馈源和主反射器孔径 形状都为矩形②对于和分布,两个主平面均为偶函数对于差分布,一个平面为奇函数,另一个平面是偶函数③天线无损耗④馈源喇,‘⋯二、,,,,,⋯,究,,‘叭孔径 和主反射器孔检均大于工作波束等四个杀件,井且兰沂百乙·盯,只月取人阴‘践上和增益此时,孔径边缘 馈 电电平为一分贝当‘时,它具有最大差增益以上两个数值也说 明最大差增益的馈源孔径尺寸是最大和增益的馈源孔径尺寸的一倍当时,旁瓣电平或信息漏失取最小值巴顿指出,场波瓣如用 高斯型函数逼近,当二时,可使得和增益与差斜率的乘积为最大四、缓和 和差矛盾的措 施一个理 想的单脉冲天线的和增益、差增益及差斜率都应该为最大然而,经典的四喇叭馈源,由于其 固有的孔径场分布的限制,不能满足上述参数都为最大的要求和增益最高时,差斜率与差增益不是最大,反之亦然,这就是所谓 和差矛盾从信息论角度说,当孔径尺寸与绕射图零点宽度乃相近二邑时和增益最大对于差通道来说,当之各时,差增益最大,差斜率也较高对于 一个给定的馈源孔径尺寸,自自自 丫丫丫八八八图经典单脉冲馈源孔径尺寸与绕射图宽度的关系不可能同时等于各和各午,所以存在矛盾。
要解决这个矛盾,从原则上说,馈源拳通道的孔径必须二倍于和通道孔径才行国外从模的概念分析了三种不同模次和模、方位差模、俯仰差模馈源 的有效激励形式,明确了最佳馈源 尺价仰差 ⋯‘山,, 差位方寸,同时提 出了理想的激励形式,如图所示为了逼 近理 想的激励形式,从理论上说必须对和差三种不同模次的分布实行独立控制,即幅度分布用分配网络及藕合元件进行控制,正弦及余弦的激励形式可 由比较网络及混合接头的串联来控制但是,这些相距很近的繁多的馈源孔径以及大量比较器和分配网络在工程实现上是很困难的在两个平面场分布独立控制的基础上,人们提出了几种可供实现的使 和差矛盾得以缓和的馈源方案,其中常见的主要有以下几种单孔径双平面多模馈源,十二喇叭馈源,多模多喇叭顺序控制馈源,介质导馈源,波纹喇叭馈源,控制幅相分布的多单元馈源俄原孔径图理想馈源的激励形式以上解决和差矛盾的几种方法一般适用于线极化馈源当要求天线工作于 圆极化或变极化状态时,要求馈源正 交对称因此,多模多喇叭馈源不能采用,单孔径多模馈源也很不理想十二喇叭馈源 虽然性能仍好,但结构笨重,调整 困难介质导配上波纹多模馈源则有较好的实用价值在圆极化和变极化的情况下,广泛采用一发五收的正十字喇叭馈源,中间喇叭为和通道,上下两个组成俯仰差,左右两个组成方位差。
此种馈源结构非常简单,三个工作模能够进行单独控制,除和喇叭需承受高功率外,边上四个喇叭均可用低功率元件为了使和性能更优,和喇叭还可采用对角极化馈 电其缺点是分离角大,交 叉电平低,差信号漏失大而误差 灵敏度较小五、单脉冲一 反射器加电扫 描现代单脉冲精密跟踪雷达通常只能对付一个小空域内的单个目标由于要求作用距离远,天线增益高,故天线波束极窄,捕获目标相 当困难,而且往往还需配用引导雷达随着空间宇航技术的迅速发展,迫切要求提高雷达对目标的自动捕获能力以及对付较大空域内的多目标群采用常规 的广角扫描相控阵雷达 当然是解决这个任务的一种可行办法,但是大型相控阵雷达系统不仅结构复杂,而且造价昂贵,这是一个致命的弱点近年来逐步发展了一种可 以令人满意的折衷解决办法在机电转台上的精密跟踪单脉冲雷达天线上加以小空域的电扫描技术称为有限角度电扫描,从而使安装在机电转台上的单脉冲天线具备小角度的电扫描能力于是使用一部这种天线就能获得半球空域覆盖,能节 省大量移相元件,并可基本上继承袭用老技术,从而大大简化结构、降低成本目前,单脉冲加有限电扫描天线的方案花样繁多,常见的可以归纳为如下几种形式小型相控阵馈电的单反射器夭线反射器天线可以用阵列馈电已为人所周知,但因其比较复杂,这种馈电方式在固定波束时几乎不被采用。
但是将小型相控阵空间馈电反射阵或传输阵放在反射器 的主焦点前来,对反射器天线馈电,反射器反射器饮原瞬传输阵反射阵馈电传输阵馈电相控阵馈电的单反射器夭线原理图能够实现有限电扫描是一种颇有价值的方案因为这里只需要公二馈原少得多的有源控制元件—移相器,便能够使波束实现小空域的电扫描为了实现脉冲与电扫 描的结合,必需具备任何形式的单脉冲馈源及小型相牲阵组合馈电‘小型相控阵馈 电的单反射器天线主要有两种形式,如图所示由馈源所辐射的能量投射到阵列表面,被单元接收再经过移相器移相后到达抛物面反射器,经过抛物面反射,便在空 间形成波束指向可控的波瓣利用阵列单元内的电控移相器铁 氧体或二极管移相 器 的不同相移量 来控制抛物面孔径 上 的等相位面 的偏转,从而改变波策的指向按照几何光学原理,单元移相器由配相所 需补偿的波程差可由叠代光路法进行计算应该指出,由于抛物面是二次方程 曲面,单元移相器的配相不再是简单的线性关 系,一般需要波控计算机预先贮存或者采用快速近似公式实时计算一原理上馈电阵列 既可采用平面阵,也可以采用共形阵但是由于曲面阵理论分析甚 为困琳波束不易控制,目前尚未见到实际应用阵列单元可以采用任何合适的形式。
单元排列可呈矩形栅格或三角形栅格单元间距 的正确选择十分重要,为使扫描阵列能最有效地控制反射器的 孔径,单元间距应按下式计算二式中·一阵列所能控制区域的半张角入—工作波长阵列馈电的反射器天线的次级扫描能力与馈电阵列扫描能力二者之间关系为了,式中氏—反射 器天线次级波束扫描角 —馈 电阵列 扫描角 —反射器的焦距,—阵列表面到焦点的距离值得注意的是,这种天线的孔径利用率随扫描角的增大而下降,因而次级扫描角不可能太大此外,阵列很难做到仅仅控制有用的孔径部分,因 此,会出现很大的远区旁瓣例如、,国外有一部阵列馈电的反射器天线,不扫描时旁瓣 电平为一分贝,而在最大扫描角时旁瓣 电平升高到一分贝一般说来厂阵列馈电的反射器天线所需的移相器总数仅为原来常规相控 阵的十分之一但这类天线的孔径固有利用率只有百分之四十左右,而最大扫描角约为几个不 到个波束宽度当要求扫描角不大时,这类天线还是有它 的优点的,是一种值得研究的单脉冲加有限角度电扫描天线方案其缺点是由于小型相控阵处于副反射器位置,机械转动 惯 量较大,这是一种不利因‘素,故必需设法尽量减轻馈电相控 阵的重量小型相控阵馈电的双 反射器系统蒯反肘器为了弥补上述系统的不足,已经提出了一种用小型相。