李尚生，李煒杰，付哲泉，鄒翰鋒

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺264001）

一種雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李尚生，李煒杰，付哲泉，鄒翰鋒

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺264001）

介紹了一種用于雷達(dá)模擬器的天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用角錐喇叭天線組成比幅測角系統(tǒng)，解決了方位波束寬度大和天線增益高之間的矛盾，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、天線增益和測角精度高等特點(diǎn)。經(jīng)測角誤差分析和電磁仿真，證明天線系統(tǒng)的增益系數(shù)、測角范圍和測角精度等主要技術(shù)指標(biāo)滿足雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)要求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

雷達(dá)模擬器；比幅測角；喇叭天線

某型武器系統(tǒng)的核心部件是主動(dòng)雷達(dá)，為了降低訓(xùn)練成本，需要用雷達(dá)模擬器代替實(shí)裝雷達(dá)進(jìn)行武器系統(tǒng)技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練［1］。雷達(dá)模擬器由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成［2］，如圖1所示。根據(jù)實(shí)裝主動(dòng)雷達(dá)的功能、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)準(zhǔn)備流程，確定雷達(dá)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻段為Ku波段，點(diǎn)頻工作；方位角度測量范圍不小于±7°；方位角度測量精度優(yōu)于0.5°；接收機(jī)靈敏度為-94 dBm（天線增益23 dB時(shí)）；天線系統(tǒng)口面尺寸不大于F=330mm；天線極化形式為垂直極化。

圖1　雷達(dá)模擬器組成框圖Fig.1 Block diagram of radar simulator

1　天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到雷達(dá)模擬器與配套技術(shù)準(zhǔn)備裝備的匹配，模擬器接收系統(tǒng)采用超外差非相參體制。雷達(dá)接收機(jī)靈敏度方程［3］：

式（1）中：k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T0為電阻溫度，取290 K；Bn為測試設(shè)備的通帶，單位為MHz；F0為接收機(jī)噪聲系數(shù)。

將式（1）轉(zhuǎn)為對數(shù)表示：

考慮到系統(tǒng)前端低噪放大器及其他損耗［4］，選擇噪聲系數(shù)為6dB，識別系數(shù)為6dB，信號接收時(shí)的處理帶寬為4 MHz。根據(jù)式（2）可得接收系統(tǒng)靈敏度：

若忽略天線系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的波導(dǎo)連接損耗，要求模擬器天線系統(tǒng)的“和”路增益不小于21dB，才能滿足雷達(dá)模擬器接收機(jī)靈敏度的設(shè)計(jì)要求。

除滿足接收機(jī)靈敏度要求以外，雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)要求就是要滿足在±7°的方位測角范圍內(nèi)測角精度優(yōu)于0.5°?？梢圆捎帽认喾y角和比幅法測角，比相法測角是通過2個(gè)相隔距離d的單元天線接收信號的相位差 j來確定來波的方向q，它們之間的關(guān)系為［5］：

比相法測角的優(yōu)點(diǎn)是測角精度高，且不受來波強(qiáng)度的影響，但要求2個(gè)接收天線的相位中心必須是穩(wěn)定的，否則會帶來很大的測角誤差［6］。比幅法測角是利用接收天線的方向性，將2個(gè)方向性相同的單元天線在方位上錯(cuò)開一個(gè)角度（波束寬度）安放，如圖2所示，2個(gè)單元天線接收到的不同來波方向的強(qiáng)度是不同的，通過2個(gè)單元天線接收信號的差值來確定來波的方向，實(shí)現(xiàn)測角功能［7］。比幅法測角的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，實(shí)現(xiàn)方便，對單元天線的相位中心穩(wěn)定性要求不高，但測角精確不如比相法高。

圖2　天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of antenna system

工作在Ku波段的單元天線可選擇的形式有螺旋天線、圓錐喇叭天線、透鏡天線和角錐喇叭天線等［8］。模擬器天線系統(tǒng)的極化方式為垂直極化，要滿足接收機(jī)靈敏度和方位面（H面）上測角范圍和測角精度要求，必須解決天線系統(tǒng)H面波束寬度大和天線增益高之間的矛盾。采用螺旋天線、圓錐喇叭天線、透鏡天線等無法同時(shí)滿足增益高和方位波束寬度大的要求，最佳的選擇是采用角錐喇叭天線作為單元天線［9］。利用喇叭天線E面和H面波束寬度與口徑尺寸之間互不影響的特點(diǎn)，通過減小喇叭的H面口徑尺寸來增加H面波束寬度，滿足方位測角范圍±7°的要求。再通過增加E面口徑尺寸來增加天線的增益，從而解決H面波束寬度大和天線增益高之間的矛盾。但喇叭天線的相位中心模糊，采用比相法測角會由于單元天線的相位中心模糊造成測角誤差增大［10］。因此，雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)采用2個(gè)角錐喇叭天線組成的比幅測角系統(tǒng)。根據(jù)模擬器測角范圍指標(biāo)，天線系統(tǒng)的兩個(gè)單元天線安裝時(shí)在方位上錯(cuò)開一個(gè)14°的角度，如圖2所示。由和差器分別提取2個(gè)單元喇叭天線接收信號的“和”和“差”，“和”信號用于雷達(dá)模擬器接收系統(tǒng)靈敏度測量，“差”信號用于來波方向角度測量［11］。

由天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測角方式，確定角錐喇叭單元天線滿足以下技術(shù)參數(shù)，才能滿足雷達(dá)模擬器整機(jī)技術(shù)指標(biāo)：工作頻段為Ku波段，點(diǎn)頻；H面主瓣寬度為2q0.5=14°；天線增益G≥24dB；垂直極化。

2　天線系統(tǒng)測角精度分析

相對于比相測角，比幅測角系統(tǒng)的最大問題就是測角精度低，下面分析圖2所示的比幅測角系統(tǒng)是否滿足測角精度要求。比幅測角原理如圖3所示［12］。

圖3　比幅測角原理圖Fig.3 Schematic of amplitude comparison angle measurement

假設(shè)2個(gè)方向特性一致的接收天線，接收到的信號幅度分別為U1和U2，則有幅度比［13］：

式（5）中：F（θ）為天線方向性函數(shù)；θC為天線與等信號線的夾角；θ為回波信號方向與等信號線方向夾角。

對式（5）求對數(shù)，將幅度比轉(zhuǎn)化為對數(shù)關(guān)系［14］：

式（6）中，ΔR=20lg（K1/K2）為2個(gè)接收通道間的信號增益對數(shù)差，若K1=K2，則ΔR=0。

天線方向圖采用高斯函數(shù)近似［15］：

式（7）中：θ0.5為天線3dB波束寬度2θ0.5的一半，k=0.5ln2≈0.346 5。

于是有：

將式（8）代入式（6）可得

可見，到達(dá)角θ與信號幅度比R成正比。對具有高斯方向圖的天線，其系統(tǒng)誤差不隨方向角變化，即差波束方向圖的斜率（dB）在斜率角范圍內(nèi)是不變的。

當(dāng)天線波束傾角與天線波束寬度相同時(shí)，對于比幅體制測角系統(tǒng)其輸入輸出關(guān)系如下：

式（10）中：PA、PB分別為2個(gè)接收天線接收到的回波功率；。

影響測角精度的因素有：天線接收到的信噪比、功率的量化誤差、天線波束的寬度誤差等［16］。

將PA、PB表述成含信號和噪聲功率的表達(dá)式：

天線夾角θS=2θC，SNR是接收機(jī)信噪比，測角精度表達(dá)式為：

因此，

當(dāng)回波信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后信噪比為10dB時(shí)，測角精度為：

對3dB波束寬度為14°的天線，其夾角θS為14°時(shí)，由信噪比引起的測角誤差為Δθ=0.35°。根據(jù)比幅測角原理可知，兩接收通道的幅度一致性對測角精度也有較大影響［17］。由式（9）可知，通道間的幅度一致性將會對最終測角誤差造成影響，且與測角誤差是線性關(guān)系。其引起的測角誤差為：

綜上，取10dB信噪比，信道失衡η為0.5dB，總的測角誤差為：

接收系統(tǒng)測角誤差小于0.5°，滿足模擬器技術(shù)指標(biāo)中測角精度優(yōu)于0.5°的要求。

3　角錐喇叭單元天線設(shè)計(jì)與仿真

由天線理論，角錐喇叭天線幾何尺寸與主要技術(shù)參數(shù)之間的近似估算關(guān)系為［18］：

式（17）～（20）中：θ0.5H是H面半波束寬度；λ0是入射波長；DH是天線H面寬度；DE是E面寬度；G是天線增益；REopt是天線E面最佳長度，RHopt是H面最佳長度。

考慮天線系統(tǒng)在雷達(dá)模擬器上的安裝尺寸和技術(shù)參數(shù)，選擇角錐喇叭單元天線的尺寸分別為DH=85mm、DE=165mm，角錐頂點(diǎn)到邊緣的距離L=750mm，過渡波導(dǎo)長度L0=30mm，波導(dǎo)接口處法蘭盤采用FBP140（長a=15.8mm，寬b=7.9mm）。角錐喇叭天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4　角錐喇叭的參數(shù)示意圖Fig.4 Structure of pyramidal antenna

采用Ansoft公司的HFSS軟件對天線進(jìn)行仿真，角錐天線3D模型如圖5所示［19］。

圖5　角錐天線3D模型Fig.5 3D Structure of pyramidal antenna

設(shè)置點(diǎn)頻模式，仿真頻率為16 GHz，天線增益方向圖如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)表示目標(biāo)信號方向與等信號軸線方向夾角，縱坐標(biāo)表示天線增益。紅線（等信號軸線附近較平滑）和藍(lán)線分別表示天線在Phi=0°（H面）和Phi=90°（E面）時(shí)的增益［20］。

從圖6中可以讀出天線H面3dB波束寬度為14.76°，滿足天線H面主瓣寬度要求。最大增益達(dá)到25.56dB，大于24dB，滿足天線增益要求。

置掃頻模式，掃頻范圍為15～17 GHz，得到其輸入回波損耗S11隨頻率變化曲線如圖7所示，S11參數(shù)在頻點(diǎn)16 GHz處能達(dá)到-31.5dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6　角錐喇叭天線增益方向圖Fig.6 Structure of pyramidal horn antenna

圖7S11仿真結(jié)果Fig.7 Results ofS11simulation

4　結(jié)束語

本文給出了一種雷達(dá)模擬器天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)模擬器主要技術(shù)指標(biāo)選擇天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由雷達(dá)接收機(jī)靈敏度方程推算天線增益要求，為了解決方位波束寬度大和天線增益高之間的矛盾及相位中心模糊問題，采用角錐喇叭天線組成比幅測角系統(tǒng)。經(jīng)測角誤差分析和電磁仿真，證明天線系統(tǒng)的測角精度、增益系數(shù)、測角范圍和工作頻率等主要技術(shù)指標(biāo)滿足雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)要求。該天線系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、天線增益和測角精度高等特點(diǎn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Antenna System Design of a Radar Simulator

LI Shangsheng，LI Weijie，F(xiàn)U Zhequan，ZOU Hanfeng
（Department of Electronic and Information Engineering，NAAU，Yantai Shandong 264001，China）

In this paper，the antenna system designed for radar simulator was described.The system used horn antennas to constitute amplitude ratio angle measuring system，to solve the contradiction between azimuth beam width and antenna gain.It had a simple structure，ease of implementation，high antenna gain and high precision in angle measurement.By measuring angle error analysis and electromagnetic simulations，it was proved that main technical indicators such as gain coefficient，measuring angle range and angle measurement precision of antenna system met the design requirements of radar simulator，therefore，it had application value.

radar simulator；amplitude comparison angle measurement；horn antenna

TN955+.1

A

1673-1522（2016）05-0501-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.001

2016-05-30；

2016-07-14

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題（CEMEE2016G0201）

李尚生（1965-），男，教授，碩士。