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。
