风廓线雷达有源相控阵天线研究

1、    风廓线雷达有源相控阵天线研究    罗琦史冰芸摘要：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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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盤考虑。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

8、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

9、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

10、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（=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