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一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析

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第４２卷第２期（总第１６４期）　２０１３年６月　火控雷达技术　Ｆｉｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｒａｄａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ　１６４）　Ｊｕｎ．２０１３　一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析　张昀剑　熊　灵　高　鹏　（电子科技大学成都６１１７３１）　【摘要】宽带雷达作为一种新体制雷达，具有优越的反隐身能力、强的抗干扰能力、极高的距离分辨　率等诸多优点。相对于传统相控阵雷达，超宽带雷达采用实时延时技术替代传统的移相器进行波　束控制。该文章基于超宽带雷达相关理论进行了时域超宽带阵列天线波束扫描研究。采用对拓维　瓦尔迪天线设计了四单元均匀直线超宽带阵列并进行了时域仿真及实验测试。结果表明，该阵列　在Ｘ—ｚ平面可以实现±４０。的波束扫描。阵列规模由天线单元间距决定，通过精确仿真分析天线　单元间距使波束合成效果达到最优化。阵列的峰峰值方向图仿真验证了时域波束扫描理论是可行　的，同时论证了实时延时技术可以被集成到时域雷达中以实现实时扫描。　关■词：超宽带；天线阵列；波束扫描；峰峰值方向图；时域　中圈分类号：ＴＮ８２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８・８６５２（２０１３）０２－０８７－６　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｏｎｅ—・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｕｌｔｒａ—・ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ａｒｒａｙ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｂｅａｍ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｙｕｎｊｉａｎ，Ｘｉｏｎｇ　Ｌｉｎｇ，Ｇａｏ　Ｐｅｎｇ　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１　１　７３　１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒａｄａｒ，ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄａｒ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｌｉｋｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｓｔｅａｌｔｈ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｕｌｔｒａ　ｓｔｒｏｎｇ　ａｎｔｉｊａｍｍｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｒａｎｇｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄａｒ　ｅｍ—　ｐｌｏｙｓ　ｒｅａｌ—－ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｔｅｒ　ｔｆｏ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｒｅ－－　ｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｒａｄａｒ．Ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ａｒｒａｙ　ａｎｔｅｎｎａ　ｂｅａｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄａｒ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．４一ｅｌｅｍｅｎｔ　ｕｎｉ￣ｒｍ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｌｉｎｅ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅ　ａｒｒａｙ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎｔｉｐｏｄａｌ　Ｖａｌ　Ｄｉ　ａｎｔｅｎｎａ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｒｒａｙ　ｃａｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｂｅａｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｏｆ±４０。ｉｎ　Ｘ—Ｚ　ｐｌａｎｅ．Ｔｈｅ　ａｒｒａｙ　ｓｉｚｅ　ｉｓ　ｄｅｐｅｎｄｅｄ　ｏｎ　ａｎｔｅｎｎａ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｐａｃｅ．Ｕｓｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ａｎｔｅｎｎａ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｐａｃｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｂｅａｍ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｅｆｆｅｃ—　ｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｒｅａｃｈ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐｅａｋ—ｐｅａｋ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｒａｙ　ｖｅｒｉｉｅｓ　ｆｅａｓｉｆｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｂｅａｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒａｄａｒ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ；ａｎｔｅｎｎａ　ａｒｒａｙ；ｂｅａｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ，ｐｅａｋ—ｐｅａｋ　ｖａｌｕｅ　ｐａｔｔｅｒｎ；ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　１　引言　相比于传统窄带系统，相对带宽大于２５％的超　宽带技术被广泛证明具有巨大优势…。信号的宽　带特性使超宽带技术吸引了大量学者研究其应用，　收稿日期：２０１３一Ｏ２—２７　例如遥感遥测、穿墙雷达、个人无线通信系　统等　＿６】。　基于频域的窄带天线分析方法已经非常成熟，　但对于超宽带天线来说该方法具有一定局限性。超　宽带时域激励信号具有很宽的频谱，若要得到天线　辐射或接收的时域特性，需要对多频点的频域数据　基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．６１２０１００１）；中央高校基本科研业务费（Ｎｏ．ＺＹＧＸ２０１０Ｊ１１７）　作者简介：张昀剑（１９８６一），男，硕士研究生，主要研究方向为超宽带阵列天线　
火控雷达技术　第４２卷　进行傅里叶逆变换，实现方法难度较大且繁琐。时　域方法通过高速采样示波器直接获取时域数据，进　行一次傅里叶变换即可得到完整的频谱，能够更便　捷直观地表示信号传播特性　。与传统雷达系统　相比，基于超宽带天线的时域超宽带雷达具有诸多　优势　。为提高雷达对目标的探测能力，需要对　辐射波束进行赋形，因此采用超宽带天线组成阵列　作为超宽带雷达的接收／发射天线是一种行之有效　的方法　“　。　２０１１年，日本樱花公司的Ｆｕｍｉｎｏｒｉ　Ｓａｋａｉ等人　设计出了一种小型超宽带穿墙雷达¨　。该研究使　用波束扫描阵列天线，通过改变触发频率（４６．　９８ＭＨｚ　４－２３０ＫＨｚ）改变辐射波束指向（一４０。一　３８。），实验获得的数据显示该雷达系统具有２５ｃｍ　的距离分辨率和１５。的角度分辨率。该雷达系统的　工作频率带宽为３．４ＧＨｚ至４．８ＧＨｚ，对应工作波长　为６３ｒａｍ至８８ｒａｍ，发射信号的穿透力受到一定限制　且回波损耗相对较大。　本文设计了一个１　ｘ４均匀直线超宽带天线阵　列用于时域仿真及实验测试。各天线单元由相同波　形、不同时延的时域瞬态信号激励。因此，波束扫描　可以通过在激励源与天线之间添加时延模块实现。　天线单元之间的间距优化通过商业软件ＣＳＴ微波　工作室套件¨　完成。仿真与测试结果表明该阵列　可以实现Ｘ—Ｚ平面上－ｉ－４０。波束扫描。　２时域波束扫描理论　时域天线阵列基本理论与传统相控阵理论相　似。但不同于传统相控阵雷达使用移相器，时域阵　列通过改变输入信号时延改变波束指向¨　。传统　相控阵天线的带宽受阵列单元（天线，放大器，波束　成形网络）限制，但更严重的影响往往来自于使用　移相器进行波束控制。超宽带雷达使用实时延时　（ｔｒｕｅ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ，ＴＴＤ）技术，消除了这种限制。实时　延时线相比于移相器还具有损耗小、重量轻、成本低　等优点　。　图１为线性四单元超宽带阵列天线的扫描原理　图。最大扫描角度０由相邻天线单元间距决定。它　们之间的关系由式（１）给出：　Ａｔ＝ｔ　一ｔ　】　ｄｓｉ：——ｎ０　（１）　Ｃ　其中，△ｔ为相邻天线单元之间的相对延时差，ｄ为　相邻天线元间距，ｔ；为第　个天线元的延时，ｃ为光　速。由式（１）可以看出，若阵列天线结构固定，波束　扫描角度　只与相邻天线激励延时差有关，即通过　控制各天线元的激励延时差就可以实现波束扫描。　阵元间距是阵列天线的基本参量之一，若阵元　数相同，则阵元间距ｄ大，阵列口径互耦弱、增益高。　若口径尺寸一定，则阵元间距越大，口径内需要设置　的阵元数越少，相应的延时模块数量及激励脉冲源　数量将减少。但另一方面，阵元间距受到扫描波瓣质　量的限制。若间距过大，将导致栅瓣的出现，使能量　分散，增益下降¨　。　激励信号为时域瞬态信号。为确保波束在希望　的方向上信号强度最大，阵列各天线单元的输出必　须在该方向上保持同相位。否则各天线的输出波形　合成将无法达到最优化。　同相　图１　线性四单元超宽带阵列波束扫描原理图　３天线设计　图２为单片超宽带天线示意图及主要参数。在　特高频频段（３００ＭＨｚ一３０００ＭＨｚ）常常选用对拓维　瓦尔迪天线，对于发射典型的时域信号来说其相对　带宽足够宽。天线基板为ＦＲ４材料，相对介电常数　２．２，厚度２ｍｍ。使用商业软件ＣＳＴ微波工作室套　件进行仿真及安捷伦Ｅ８３６３Ｂ矢量网络分析仪进行　测量。为便于对比，仿真和测量的回波损耗（Ｓ１　１，　单位：ｄＢ）见图３。　４仿真结果及分析　图４为１×４阵列天线示意图，相邻天线间距为　ｄ。为满足远场条件，探针设置为阵列法线方向　

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