风廓线雷达有源相控阵天线研究

2019-03-29 版权声明 举报文章

风廓线雷达有源相控阵天线研究

摘要:风廓线雷达有源相控阵天线可以显著避免来自地杂波的干扰,非常适用于气象领域。文章从系统整体设计、天线辐射模块方案、收发单元的设计、功放单元的设计、天线阵的设计等方面详细阐述了此种天线的研发过程。

关键词:风廓线雷达;有源相控阵天线;辐射模块;收发单元;功放单元

1.风廓线雷达研究概述

作为一种新型雷达,风廓线雷达拥有很高的性能和较为广阔的适应性,因此近年来广受关注。相关领域已经出现了一些较为成熟的产品,其实现方法也可分为多个类别。为了适应使用环境对雷达的指标要求,本文在同类产品的基础上,设计并实现风廓线雷达有源相控阵天线。

2.系统整体设计

笔者在考察同类设备之后进行了充分的论证,同时为保证雷达所采用的技术成熟度及先进性,本研究最终确定风廓线雷达设计模式为:全相参T/R分布式有源相控阵模式。之所以选用这种模式,是考虑到其本身所固有的一些长处:首先,此种模式是能量分布发射的,因此能够在很大程度上降低对大功率单元的使用,同时增强雷达的可靠度指数;其次,这种模式能够减少对功率发射单元的散热水平要求,用户完全能够通过风冷的方式对其温度进行维持;第三是其减少了雷达中的移相器等器件在收发信号时的损耗;第四是能够增强每一个发射单元的占空比数据值,从而得到更加令人满意的输出效果,提升系统的性能。系统整体设计示意如图1所示。

由图1可知,在整个风廓线雷达有源相控阵天线中,主要部件包括由400组辐射单元、20组收发单元和必要的馈电单元等部件组成的相控阵天线。在这些部件的支持下,雷达的工作原理为:通过计算机结合用户所确定的具体模式,将控制信息发送至信号产生单元,生成探测信号,这些探测信号通过发射机的放大作用,形成收发单元所需的标准射频信号,这些射频信号在收发单元的作用下经过移相变换、再通过功放增强功率,最终到达天馈线发射到空间。所有的收发单元所产生的脉冲会在空间完成彼此间的功率合成,从而把所发射的所有能量汇集至某一波束。在探测的时候,结合所收到的回波信号能够得到大气运动径向值。而以上的操作不断进行,便可以逐步获取所有指向的径向速度,从而得到探测目标的所需参数,完成探测。

3.主要部件的设计

有源相控阵天线含有多个模块,这里对其中较为重要的几个模块的设计方案进行阐述。

3.1天线辐射模块方案

本研究所设计的相控阵天线,与其他天线相比,其最大的特点就是包含了大量能量单元,每一个单元均彼此独立地发射电磁波,而所有单元所发射的电磁波能量,是在空中进行强化合成的。因此,只要设置每一个发射单元波的相关参数,便能够调整波束的具体指向。本研究最初所选用的方案是短背射式单元,这种单元的优势在于增益很高,因此能够降低所使用的单元总量,并降低天线所需的收发模块数量。然而因为不同模块之间的距离较大,在进入扫描的时候常常产生栅瓣现象,而且模块的方向图远瓣很高,所以难以对栅瓣进行消除。在多次试验之后,笔者最终选取的是半波振子模块,其优势在于,这种模块的结构不复杂、可靠度较高,加之因为不同模块间的距离很短,因此不存在栅瓣,便于得到低副瓣性能,能够显著降低地杂波干扰,有利于在风廓线雷达中使用。

本研究所选用的半波振子天线,在类别上属于线性天线,且构造较为简单。典型的半波振子天线由2根金属棒构成。通过垂直正交排列的方式进行组合。在端点施加必要的电位,从而在金属棒上产生电流,由此形成辐射。因为这些振子是基于阵反射面的,因此完全能够获取半波振子天线的方向图。

经过测量与计算,可知半波振子主瓣宽度是78dB,如果除去反射部件,其增益大概在2.2dB左右。由于半波振子电抗是0,所以仅涉及电阻值;即使振子臂发生了变化,由于电阻值是恒定的,因此经过调试就能够和电缆实现很好的匹配。单元振子方向图是取决于天线方向图的。测量后可知,E与HN个面的方向图非常接近。因此在设计中,把E作为扫描面,在很大程度上降低了远区副瓣。

3.2收发单元的设计

收发单元能够决定相控阵天线的无源或者有源。对于无源天线,其能量往往来自于发射机,再由功率分配器处理后,通过馈线进行发射。而对于有源的天线,则无须发射机,只要把功率向小模块进行分配即可。

对于有源相控阵天线,收发单元的作用是十分重要的,所有的收发单元经过排列组合,共同完成天线的发射接收。单个的收发单元功率通常很小,但由于天线由多个单元构成,所以其最终的功率较高。而正是由于单个收发单元功率不高,所以降低了对功率的需求,使得整体系统不必太考虑散热问题,为系统的维护和使用带来方便。

然而同时应该考虑到的是,假若为每个辐射模块均配置收发单元,这个系统的管理维护难度将会提升,系统的建造成本也会提高。所以在进行设计的时候,无论是收发单元的个数、还是发射的功率值选择和方向图等参数均应进行通P考虑。在仿真和测量之后,本研究最终决定选取行列分别馈电的网络,把馈电转换成线阵,使系统的可靠性得到保障。

为提升系统收发效率,将收移相器和发移相器分别进行设置,所以可以把收发单元以功能种类进行划分。为了节约空间,这两类单元依旧布置在同一板卡,便于测量和排查故障。

3.3功放单元的设计

功放单元在很大程度上决定了天线系统的损耗与方向图,通常包括功率分配单元和合成单元等。在本研究开始的时候,为所有的收发单元设置功率分配器,然而在仿真测试的过程中,难以准确地进行配相,加之所选取的功分单元很多,为设备的安全性能留下了隐患。经过综合考虑,最后确定为选区1:20的功分单元。这样的模式一方面提升了设备的设计和制造难度,但其优势也显而易见,能够在很大程度上降低单元的数量,增强整个系统的运行安全性能。无论是功分单元还是功合单元均以泰勒函数进行加权处理。考虑到不同单元存在着彼此的影响,且阻抗的变化幅度也比较明显,在试验仿真之后,结合所有的位置阻抗变化,对相关参数进行调节,使整个系统的性能得到增强,其各类参数达到了天线指标。

3.4天线阵的设计

在具体开发的过程中,先对小面阵进行观测和参数提取,经过不断试验,得到一些必要的数据,对单元间距进行调整,最后确定不同单元的距离保持在波长0.68倍。将天线阵部署于桁架,整个过程中较为重要的是对天线阵面水平度进行调节,这个步骤关乎天线波束精度。位于同一行的天线模块,可以共同使用一个收发单元,因此本系统所需的收发单元仅有20组。对这些收发单元加权馈电,从而构建扫描面方向图。在天线阵的每行,以幅度加权的模式使其形成方向图,经过组合构成整个系统的指向波束。系统设计完成之后进行指标的测试,通过测试数据可知,其参数值能够达到设计的需求,和设备基于理论计算的一些参数有所不同,通过分析原因,发现最主要的因素是因为天线阵面的面积较大,因此假如以整体测试测试的方式,是难以十分精确地获取其参数的。在此基础上使用内场测试法对天线阵的性能进行测试,可知其与理论计算的数值十分接近。天线阵面布局如图2N示。图2中每一个小十字线表示一个交叉极化半波振子单元。

倾斜波束指向(14.2°)时的天线方向图(θ=14.2°)如图4所示。

实际测量值满足了系统指标要求,与理论计算值差异可以忽略,系统满足了设计需求。

4.结语

目前,不少设计仿真以及实用性的系统均可以证实,结合半波振子是完全可行的一种天线模式。其优点是天线系统的结构不复杂、投资较少、设备性能可以满足一般需求,此外因为单元之间的距离不大,所以不存在栅瓣现象,可以显著避免来自地杂波的干扰,非常适用于气象领域。收发单元的使用,可以以分散发射的模式,使每个单元的发射能量在空中进行加强,有效降低了发射机的规律功率要求,从而使整个系统不必太考虑散热问题。而所有的TR模块均已固态器件构建,因此系统的体积降低,相应的功耗也不高,系统的安全性得到了保障。

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