CN212062697U - 雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，对0.38GHz‑18GHz按四个频段进行天线分段，分为0.38GHz‑0.8GHz频段、0.8GHz‑2GHz频段、2GHz‑6GHz频段和6GHz‑18GHz频段；这样的频段划分设计有利于实现天线宽波束方位覆盖和高增益接收。采用了4个不同的测向布阵基线设计，提高了120°内的测向精度和成功解模糊概率。解决方位120°范围内，对目标信号全概率接收，不存在丢失目标信号问题，解决系统构造复杂问题，解决系统成本高的问题。

Description

雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列

技术领域

本实用新型涉及雷达测向领域，具体涉及一种雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列。

背景技术

针对0.38GHz-18.0GHz宽频段内雷达信号瞬时120°测向，现有技术主要有两种方式实现。第一种方式，采用两个测向天线阵分别覆盖60°方位，天线频段一般分三个频段，按0.38GHz-2GHz，2GHz-6GHz和6GHz-18GHz分段或类似分段；通过天线频段选择开关，选择接收某个60°方向，由一套测向接收机和测向处理机分频段对雷达信号进行测向，先完成一个60°方向测向后再进行另一个60°方向测向，依次时分交替，从而实现120°方位测向。第二种方式，采用两个测向天线阵分别覆盖60°方位，天线频段一般分三个频段，按0.38GHz-2GHz，2GHz-6GHz和6GHz-18GHz分段或类似分段；由两套测向接收机和测向处理机分频段对雷达信号分别进行一个60°方位同时测向，测向结果再经融合处理后输出120°范围内的测向结果。

现有技术存在的问题：

第一种方法，采用两套测向天线阵、一套测向接收机和一套测向处理机，采用分时切换，分别进行60°范围测向，以此实现方位120°测向；该方法存在方位上截获目标信号有可能丢失的问题，信号丢失概率不低于50%，严格地说该方法不能做到瞬时测向。

第二种方式，采用两套测向设备，每套设备分别包括测向天线阵、测向接收机和测向处理机，分别同时测向60°范围，从而实现120°范围内测向；存在系统构造复杂、系统成本较高等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，对0.38GHz-18GHz按四个频段进行天线分段，分为0.38GHz-0.8GHz频段、0.8GHz-2GHz频段、2GHz-6GHz频段和6GHz-18GHz频段；这样的频段划分设计有利于实现天线宽波束方位覆盖和高增益接收。采用了4个不同的测向布阵基线设计，提高了120°内的测向精度和成功解模糊概率。解决方位120°范围内，对目标信号全概率接收，不存在丢失目标信号问题，解决系统构造复杂问题，解决系统成本高的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，包括按测向频段划分的多个测向天线阵，每个测向天线阵由多个前向天线和两个匿影天线组成；

所述前向天线平行分布在同一直线上，两个匿影天线与前向天线形成的直线天线阵彼此之间呈120°夹角分布。

进一步的，所述前向天线对侦察方向覆盖120°，两个匿影天线分别对另外两个方向覆盖120°。

进一步的，所述前向天线和匿影天线的形状结构和性能完全相同。

进一步的，所述多个测向天线阵包括：

由四个前向天线和两个匿影天线组成的0.4-0.8GHz天线阵；

由四个前向天线和两个匿影天线组成的0.8-2GHz天线阵；

由五个前向天线和两个匿影天线组成的2-6GHz天线阵；

由五个前向天线和两个匿影天线组成的6-18GHz天线阵。

进一步的，所述各前向天线的排列间距满足：

0.4-0.8GHz天线阵中各前向天线的排列间距依次为：599mm、727mm、910mm，总基线长度2236mm；

0.8-2GHz天线阵中各前向天线的排列间距依次为：282mm、335mm、418mm，总基线长度1035mm；

2-6GHz天线阵中各前向天线的排列间距依次为：296mm、314.2mm、345.4mm、430mm，总基线长度1385.6mm；

6-18GHz天线阵中各前向天线的排列间距依次为：134mm、140.5mm、152.8mm、189mm，总基线长度616.3mm。

本实用新型的有益效果是：

（1）针对0.38GHz-18GHz的雷达信号实现瞬时120°测向，对测向天线的频段按0.38GHz-0.8GHz、0.8GHz-2.0GHz、2GHz-6GHz和6GHz-18GHz，这样的划分可以保证天线的增益和宽方位覆盖得以兼顾。

（2）0.38GHz-0.8GHz和0.8GHz-2.0GHz频段天线采用背腔偶极子天线形式，天线主要由天线振子、反射板和天线罩组成，天线在对应工作频段内可实现120°方位波束覆盖，在该120°波束内最低增益超过2dBi；2GHz-6GHz和6GHz-18GHz频段天线采用宽波束高增益加脊喇叭天线形式。天线主要由极化器、径向模段、喇叭段和同轴波段转换段组成，天线在对应工作频段内可实现120°方位波束覆盖，在该120°波束内最低增益超过6.5dBi。

（3）前向测向阵按四个工作频段排列。根据该排列，系统采用的干涉仪测向算法在最大相位误差35°情况下仍能实现大于98%的成功解模糊概率。

（4）每个频段采用2个匿影天线，其天线性能与前向天线性能完全相同，可以覆盖120°方位，将这两个匿影天线布置在另外两个120°方向，布置方式见图2所示。通过比对前向天线与匿影天线接收的信号幅度，可以判断出大致的信号来自于某个120°内，前向信号幅度高于匿影信号幅度，这表示信号来自于前向120°内，如果匿影信号幅度高于前向信号幅度，则表明信号来自于匿影方位，从而去除测向模糊。

附图说明

图1是雷达信号瞬时宽方位测向天线系统示意图；

图2为本实用新型示意图；

图3是各前向天线距离分布示意图；

图4是背腔偶极子天线模型示意图；

图5是高增益宽波束加脊喇叭天线模型示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

本实用新型用于雷达信号瞬时宽方位测向系统中实现射频信号的接收，雷达信号瞬时宽方位测向系统通过一套测向设备（包括测向一套天线阵、一套测向接收机和一套测向处理机），分频段实现瞬时方位120°测向。解决方位120°范围内，对目标信号全概率接收，不存在丢失目标信号问题，解决系统构造复杂问题，解决系统成本高的问题。

参考图1所示，一种雷达信号瞬时宽方位测向天线系统，包括多个测向天线阵，以及用于接收测向天线阵射频信号的测向接收机，与测向接收机连接的测向处理机；

每个测向天线阵由多个前向天线1和两个匿影天线2组成；

测向接收机包括多路射频通道，用于同步接收前向天线1和匿影天线2的多路射频信号的同本振源及完成下变频；

测向处理机由多路中频信号采集及预处理模块、脉冲信号检测模块、多通道干涉仪测向模块、两通道匿影处理模块和测向结果输出模块组成，用于实现脉冲频率、测向匿影模糊与前向测向结果的融合处理。

其中测向天线阵即本实施例提供的雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，参考图2和图3所示，包括按测向频段划分的多个测向天线阵，每个测向天线阵由多个前向天线1和两个匿影天线2组成；前向天线1平行分布在同一直线上，两个匿影天线2与前向天线1形成的直线天线阵彼此之间呈120°夹角分布。

相当于是将前向天线1和两个匿影天线2分别垂直设置在等边三角形的每一条边上，其分布可参考图3所示。

在另一方面，本实用新型针对0.38GHz-18GHz频段内的雷达信号测向，采用了4个不同的测向布阵基线设计，提高了120°内的测向精度和成功解模糊概率，也就是将测向天线阵按频段划分为多个测向天线阵，多个测向天线阵包括：

由四个前向天线1和两个匿影天线2组成的0.4-0.8GHz天线阵；

由四个前向天线1和两个匿影天线2组成的0.8-2GHz天线阵；

由五个前向天线1和两个匿影天线2组成的2-6GHz天线阵；

由五个前向天线1和两个匿影天线2组成的6-18GHz天线阵；

前向天线1和两个匿影天线2彼此间呈120°夹角分布，使得前向天线1对侦察方向覆盖120°，两个匿影天线2分别对另外两个方向覆盖120°。其中匿影天线2与前向天线1采用功能性能完全相同天线单元，其分布示意图可参考图2和图3所示，在同一个天线阵中所有前向天线1朝向相同彼此平行设置在同一条直线上，两根匿影天线2与前向天线1形成的的天线阵呈120°夹角分布。

120°方位测向应该说可以有多种实现选择，诸如圆阵测向、双60°测向组合等方式实现，但由于系统的高增益要求，无法选择圆阵，因为圆阵要求使用的天线为全向天线，全向天线增益无法满足要求；双60°测向设备组阵也是一个比较常见的选择，但由于需要采用测向两套设备，每套独立实现60°测向，然后对测向结果进行融合，这加大了系统的复杂性和系统成本，不利于用户使用。

通过前面的天线分段设计，解决了天线增益和单天线覆盖方位120°问题，在此基础上进行测向布阵设计，通过分析，由于0.38GHz-2.0GHz频段波长相对较长，在保证一定相位容差条件下，采用4元线阵布置即可实现前向120°测向，满足测向精度1°的需求，在另外两个120°方向上布置两个与前向天线1相同的匿影天线2，用于消除测向模糊；针对2.0GHz-18.0GHz则需采用5元线阵布置，确保测向相位容差，实现前向120°测向，满足测向精度1°的需求，在另外两个120°方向上同样布置两个与前向天线相同的匿影天线2作为参考，消除测向模糊。

更为具体的，前向天线1排列在同一直线上，其间距关系且满足：

0.4-0.8GHz天线阵中各前向天线1的排列间距依次为：599mm、727mm、910mm，总基线长度2236mm；

0.8-2GHz天线阵中各前向天线1的排列间距依次为：282mm、335mm、418mm，总基线长度1035mm；

2-6GHz天线阵中各前向天线1的排列间距依次为：296mm、314.2mm、345.4mm、430mm，总基线长度1385.6mm；

6-18GHz天线阵中各前向天线1的排列间距依次为：134mm、140.5mm、152.8mm、189mm，总基线长度616.3mm。

在另一方面，0.4-0.8GHz天线阵和0.8-2GHz天线阵采用背腔偶极子天线形式，包括反射板3，以及采用背向对称安装在反射板3上的天线振子4，其结构可参考图4所示，也就是说，在0.4-0.8GHz天线阵和0.8-2GHz天线阵中前向天线1和匿影天线2均采用背腔偶极子天线形式。

为实现0.38GHz～18.0GHz高增益、瞬时宽方位覆盖，常规按三个频段划分实现接收天线，即0.38GHz～2.0GHz，2.0GHz～6.0GHz，6.0GHz～18.0GHz。

如要在0.38GHz～2.0GHz的频率范围内实现宽方位及高增益的天线性能，主要有对数周期偶极天线、宽带喇叭天线以及吸收型平面螺旋天线等几种形式，其中宽带喇叭天线在该频率范围内波束宽度变化较大，且在频率高端容易出现波束开裂，同时该频段的喇叭天线尺寸很大，重量很重，因此不建议选用；吸收型平面螺旋天线常作为干涉仪测向阵的天线单元使用，但由于该天线在内部腔体中填充了吸波材料，而导致天线的增益（尤其是在频率低端）较低，对远距离接收不理想；对数周期天线作为一种典型非变频的天线，理论上可以实现任意带宽的频率覆盖，同时在频率范围内的增益和波束宽度也比较稳定，将其辐射振子与地面呈倾斜45°摆放，可以实现斜45°线极化的辐射，是该系统中较为理想的备选天线。

针对0.38GHz～2.0GHz频段对对数周期天线的仿真发现，天线工作于垂直极化状态时，其方位面波束宽度最宽，120°的边缘增益可以达到接近2dB，但在整个天线倾斜45°实现斜极化辐射时，方位面的波束宽度变窄，边缘增益也降低了10dB。要想在方位面波束宽度不变的前提下提高天线增益，只能在俯仰面方向上压窄波束，也就是在俯仰方向对天线单元组阵，通过两个天线的组阵可以在理论将天线增益提高3dB。但是根据阵列天线的理论可知，单元天线之间理想的阵列间距一般在0.6～1.2个波长之间，如果间距过小则无法提高增益，如果间距过大则会出现较高的副瓣，影响天线主瓣的辐射。因此在0.38GHz～2.0GHz的频率范围内，天线单元的间距很难同时兼顾频率的高端和低端。鉴于此，为了满足天线波束和增益的要求，只能将天线分为两个频段工作，即0.38GHz～0.8GHz和0.8GHz～2.0GHz。

根据上述的分析，既然0.38GHz～2.0GHz的天线需要分成两个频段工作，其各自的带宽也就大大减小，从5:1的带宽减小为2.1:1和2.5:1。在这样的条件下，天线单元又有了更好的选择，即背腔偶极子天线。背腔偶极天线的本质是半波长的偶极子天线，通过加宽其辐射片以及平衡馈电的处理，可以使天线单元在接近3:1的频率范围内工作，再加上反射的金属背腔，可提高天线增益。同时在俯仰面上对天线单元组阵，可将方位面上增益整体提高3dB，从而满足指标要求。相比于对数周期天线，背腔偶极天线最大的优势在于其尺寸，对数周期天线在其径向方向由于有若干工作于不同频段的振子，因此其径向方向的尺寸较大，工作于0.38GHz～0.8GHz的对数周期天线，其径向方向的尺寸超过550mm，而同样频段的背腔偶极天线则只有220mm，可以大大减小天线所占的空间，同时也减少了天线的重量。

2-6GHz天线阵和6-18GHz天线阵采用高增益宽波束加脊喇叭天线形式，包括依次连接的同轴波导转换段5、喇叭段6、径向模段7和极化器8，其结构可参考图5所示。其中径向模段7为平面结构，极化器8设计为圆弧形，其作用是将径向模喇叭辐射的电磁波从水平极化转化为斜极化或圆极化， 以适应雷达信号极化多样性，也就是说，在2-6GHz天线阵和6-18GHz天线阵中前向天线1和匿影天线2均采用背腔偶极子天线形式。

2.0GHz～6.0GHz与6.0GHz～18.0GHz两个频段的天线，要在3:1的带宽内实现120°的宽波束高增益，易于想到的是用喇叭天线，但常规的喇叭天线也无法满足，需要对喇叭天线加以改进。首先通过波导-喇叭内加脊的方法展宽喇叭天线的工作带宽，其次需调整喇叭的口面尺寸，减小方位面方向尺寸，使其波束尽可能宽，同时为保证增益还需尽量增大俯仰面尺寸，通过压缩俯仰面波束的办法来实现较高的增益，最后为保证频带内方位面方向图在宽波束的范围内不会出现大的起伏，在喇叭口面处引入径向模传输段，该传输段通过激励主模TE10，抑制其它高次模，保证方位面方向口面场的均匀分布。

由于喇叭天线辐射的电磁波为线极化，其极化方向与喇叭辐射出的电场方向一致，如要实现斜45°极化，最直接的办法仍是如0.38GHz～2.0GHz天线一样，将喇叭天线旋转45°，但这会导致方位面的波束宽度大大减小。因此在喇叭波束宽度不变的条件下，在天线辐射口面前方增加极化罩（也就是极化器8），极化罩的作用是将径向模喇叭辐射的电磁波从水平极化转化为斜极化或圆极化, 以适应雷达信号极化多样性。与此同时极化器的外形需要与喇叭径向模辐射段的外形一致，才可使喇叭辐射出的电磁波均匀地照射在极化器上，这样可保证斜极化器不会对喇叭天线本身的辐射波束造成影响。

在另一方面，测向天线阵中的每个前向天线1和匿影天线2分别通过一个滤波器与测向接收机连接，测向接收机与各滤波器之间串联有天线频段选择开关，用于选择性输出0.4-0.8GHz天线阵、0.8-2GHz天线阵、2-6GHz天线阵以及6-18GHz天线阵中任一频段射频信号。

在另一方面，测向接收机还包括一个校准源，用于为系统提供校准信号，消除测向通道中的幅度相位误差。中频信号采集及预处理模块实现中频信号同步采集和同步预处理，通过数字DDC和数字滤波后得到6个或7个通道的数字基带信号。两通道匿影处理模块实现来自另外两个120°方位的匿影信号处理，计算匿影通道信号幅度。

在另一方面，本系统还包括一个测向去模糊方法，通过比对前向天线与匿影天线接收的信号幅度，可以判断出大致的信号来自于某个120°内，前向信号幅度高于匿影信号幅度，则表示信号来自于前向120°内，如果匿影信号幅度高于前向信号幅度，则表明信号来自于匿影方位，从而去除测向模糊。

工作原理说明：

针对0.38GHz-18GHz频段内的雷达信号瞬时120°测向，需经过两个步骤实现；首先是进行测向校准，然后再进行测向。

在系统开启时自动启动或通过人为设置启动测向校准，校准源开启，输出某个频点校准信号；天线频段选择开关选择从校准通道输入信号；射频接收通道完成6个或7个通道的同源射频接收，通道选择根据与所在频段对应，输出中频信号；中频信号采集及预处理模块完成6个或7个中频信号的同步采集和预处理，输出基带信号；脉冲信号检测模块完成信号检测，计算所接收信号频率；多通道干涉仪测向模块在测向校准模式时，检测出参考通道的幅度值，并计算出前向4个或5个通道间的相位差；两通道匿影处理模块实现匿影通道的信号幅度检测；测向结果输出模块计算出该设定频率下前向通道相位差、参考通道与匿影通道幅度差值，建立幅相校准表；在完成一个频点的校准后，再依次进行下一个频点的校准，直至遍历整个频段，完成全频段的校准表。

在执行完校准流程后，系统切换到正常测向模式，关闭校准源，系统通过自动或人工设定的方式，天线分别接收0.38GHz-0.8GHz、0.8GHz-2GHz、2GHz-6GHz和8GHz-18GHz频段的雷达电子射频信号，分别经频段滤波后，经天线频段选择开关选择后输出其中一个频段的雷达信号，经射频通道完成6个或7个通道射频同源接收，输出中频信号，经中频信号采集及预处理模块完成中频信号同步采集和同步预处理，经脉冲信号检测模块完成参考通道脉冲信号检测，提取信号频率；在测向校准表的基础上，多通道干涉仪测向模块采用干涉仪测向原理实现前向120°内雷达脉冲信号来波方向计算、获取参考通道信号幅度值；两通道匿影处理模块计算出雷达脉冲信号在匿影通道中的幅度值；测向结果输出模块比对参考通道与匿影通道的幅度值，消除非前向120°内来波信号影响，利用测频结果、匿影信号消除结果和前向测向结果，输出真实的前向120°范围内的雷达信号的测向结果。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，其特征在于，包括按测向频段划分的多个测向天线阵，每个测向天线阵由多个前向天线（1）和两个匿影天线（2）组成；

所述前向天线（1）平行分布在同一直线上，两个匿影天线（2）与前向天线（1）形成的直线天线阵彼此之间呈120°夹角分布。

2.根据权利要求1所述的雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，其特征在于，所述前向天线（1）对侦察方向覆盖120°，两个匿影天线（2）分别对另外两个方向覆盖120°。

3.根据权利要求2所述的雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，其特征在于，所述前向天线（1）和匿影天线（2）的形状结构和性能完全相同。

4.根据权利要求3所述的雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，其特征在于，所述多个测向天线阵包括：

由四个前向天线（1）和两个匿影天线（2）组成的0.4-0.8GHz天线阵；

由四个前向天线（1）和两个匿影天线（2）组成的0.8-2GHz天线阵；

由五个前向天线（1）和两个匿影天线（2）组成的2-6GHz天线阵；

由五个前向天线（1）和两个匿影天线（2）组成的6-18GHz天线阵。

5.根据权利要求4所述的雷达信号瞬时宽方位测向天线阵列，其特征在于，所述各前向天线（1）的排列间距满足：

0.4-0.8GHz天线阵中各前向天线（1）的排列间距依次为：599mm、727mm、910mm，总基线长度2236mm；

0.8-2GHz天线阵中各前向天线（1）的排列间距依次为：282mm、335mm、418mm，总基线长度1035mm；

2-6GHz天线阵中各前向天线（1）的排列间距依次为：296mm、314.2mm、345.4mm、430mm，总基线长度1385.6mm；

6-18GHz天线阵中各前向天线（1）的排列间距依次为：134mm、140.5mm、152.8mm、189mm，总基线长度616.3mm。

Images