旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣在車載機(jī)動(dòng)式雷達(dá)天線中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

馬 靜，劉明罡，倪迎紅

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)

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·天饋伺系統(tǒng)·

旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣在車載機(jī)動(dòng)式雷達(dá)天線中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

馬 靜1，2，劉明罡1，2，倪迎紅1

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)

首先，概要分析了非周期排布天線的形式，分析了美國(guó)地基雷達(dá)原型機(jī)(GBR-P)天線波束性能；然后，結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例，介紹了旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣在車載機(jī)動(dòng)式雷達(dá)天線中的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行仿真分析計(jì)算；最后，給出了實(shí)測(cè)結(jié)果，與仿真結(jié)果相互吻合，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

超級(jí)子陣；X波段相控陣；非周期排列

0 引 言

隨著預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，雷達(dá)威力的需求越來越高，天線增益也隨之增大。對(duì)于常規(guī)的有源相控陣天線來說，提高增益就意味著增加通道、成本上升。所以，通過較小的造價(jià)，設(shè)計(jì)高增益相控陣天線具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

有源相控陣天線的成本與通道數(shù)量密切相關(guān)，減少通道規(guī)模的一種方法是采用大單元間距非周期陣列形式[1]。單元間距一般在一個(gè)波長(zhǎng)以上，使用高增益單元，充分利用天線口徑效率，最終提高合成波束的增益。單元間距的增加雖然降低了單元數(shù)量，但是，天線波束的柵瓣無法避免，只能通過單元級(jí)或子陣級(jí)的非周期排布來進(jìn)行抑制。

子陣級(jí)非周期排布由于子陣區(qū)域內(nèi)是規(guī)則的，易于模塊化，便于生產(chǎn)調(diào)試和維護(hù)。所以，工程實(shí)用性更好一些。子陣級(jí)非周期排布方法包括：平移、錯(cuò)位、旋轉(zhuǎn)、間距隨機(jī)化等，Wang H[2]對(duì)這些設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較分析。盡管大單元間距陣列的掃描角度較小，一般不用于寬角掃描工作，但在一些追求遠(yuǎn)程探測(cè)威力，僅對(duì)有限空域掃描的場(chǎng)合還是十分有吸引力的。

對(duì)于圓極化天線來說，通過旋轉(zhuǎn)子陣方式進(jìn)行非周期排布后，不會(huì)造成極化損失，所以，大單元間距的圓極化相控陣天線設(shè)計(jì)常采用旋轉(zhuǎn)子陣非周期排布形式。眾所周知的美國(guó)地基雷達(dá)原型機(jī)(GBR-P)雷達(dá)，就是一部采用旋轉(zhuǎn)子陣非周期排布的大型固定式相控陣天線[2]。但采用這種技術(shù)的車載機(jī)動(dòng)式相控陣天線，目前還沒有看到有工程使用報(bào)道。

文中將這種技術(shù)應(yīng)用到車載機(jī)動(dòng)式雷達(dá)上，采用旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣的方法設(shè)計(jì)了一部圓極化大單元間距相控陣天線，可裝在載車平臺(tái)上進(jìn)行公路運(yùn)輸。在滿足同樣探測(cè)威力的前提下，通道數(shù)量?jī)H相當(dāng)于常規(guī)滿陣設(shè)計(jì)的30%，實(shí)現(xiàn)了±10°掃描范圍內(nèi)，柵瓣電平<-14 dB，副瓣電平<-25 dB。

本文仿真計(jì)算了非周期天線陣列需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：遠(yuǎn)區(qū)柵瓣電平和近區(qū)副瓣電平；并對(duì)影響這兩個(gè)指標(biāo)的重要約束條件：超級(jí)子陣數(shù)目和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了比較分析，給出了折中考慮后的設(shè)計(jì)參數(shù)；最后的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相互吻合，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

1 非周期排布的陣列方向圖合成

經(jīng)典的陣列方向圖合成為

(1)

式中：fΣ(u,v)為合成后的陣列方向圖；f(u,v)為單元因子；M(u,v)為陣因子；u,v分別為方位余弦和俯仰余弦；(u0,v0)為天線波束指向位置；Ak為第k個(gè)單元的激勵(lì)值；xk、yk為第k個(gè)單元坐標(biāo)。

對(duì)陣因子M(u,v)進(jìn)行變形

(2)

式中：Mn(u,v)為第n個(gè)超級(jí)子陣因子；xn、yn為第n個(gè)超級(jí)子陣中心的相對(duì)坐標(biāo)。

這樣對(duì)于整個(gè)天線陣的方向圖計(jì)算，可以分別計(jì)算各個(gè)超級(jí)子陣的方向圖，再合成為全陣面的方向圖。

圖1為GBR-P相控陣天線正面的照片[3]，圖2為由照片反演出來的陣面單元分布圖[4](圖中每個(gè)圓點(diǎn)代表一個(gè)天線單元)。

圖1 GBR-P天線陣面照片

圖2 由照片反演的GBR-P天線單元分布

仿真計(jì)算后，其陣因子方向圖如圖3所示。從圖中可以看出： 1)與傳統(tǒng)周期陣的柵瓣不同，GBR-P的陣因子方向圖中的柵瓣電平小于-12 dB，這是由于其超級(jí)子陣的旋轉(zhuǎn)排列方式能夠使得柵瓣電平出現(xiàn)分裂，達(dá)到降低柵瓣電平的目的；2)盡管理論上旋轉(zhuǎn)后陣因子對(duì)柵瓣電平的抑制為20lgN(N為旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣的數(shù)目)，即將一個(gè)柵瓣完全地分裂為N個(gè)，但是需要旋轉(zhuǎn)足夠大的角度，既容易造成干涉，也會(huì)使天線單元分布出現(xiàn)較大空隙，引起副瓣電平的抬高。

圖3 GBR-P雷達(dá)天線陣因子二維方向圖

2 旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣在車載機(jī)動(dòng)式天線平臺(tái)中的工程設(shè)計(jì)

2.1 超級(jí)子陣個(gè)數(shù)的選取

本文設(shè)計(jì)的天線陣未進(jìn)行超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)前的單元排布圖如圖4所示。天線電口徑長(zhǎng)6.84 m，高2.232 m，滿足車載運(yùn)輸條件。單元分布四周切角，96列32行，共計(jì)2 944個(gè)天線單元，單元間距2.5個(gè)波長(zhǎng)(最高工作頻率下)。極化形式為發(fā)左收右圓極化，掃描范圍±10°。

圖4 設(shè)計(jì)天線陣旋轉(zhuǎn)前的單元分布圖

首先，將天線分為八個(gè)超級(jí)子陣，由于天線口徑為長(zhǎng)矩形，所以沿長(zhǎng)度方向上分為四個(gè)超級(jí)子陣，沿高度方向上分為2個(gè)超級(jí)子陣。每個(gè)超級(jí)子陣的旋轉(zhuǎn)角度分別為：(-4°、-2°、2°、4°、4°、2°、-2°、-4°)，此時(shí)天線陣單元分布圖如圖5所示。

圖5 八個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的單元分布圖

通過仿真計(jì)算，其非周期化后的陣因子方向圖如圖6、圖7所示。從圖中可以看出：柵瓣電平未出現(xiàn)明顯分裂，只有-4 dB。這是由于設(shè)計(jì)的天線陣口徑遠(yuǎn)小于GBR-P的天線口徑，如果仍劃分為八個(gè)超級(jí)子陣，每個(gè)超級(jí)子陣的規(guī)模太小，柵瓣波束較寬，從仿真結(jié)果看，通過角度旋轉(zhuǎn)不易達(dá)到分裂柵瓣的目的。

圖6 八個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的陣因子二維方向圖

圖7 八個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的水平面方向圖

所以，在設(shè)計(jì)時(shí)減少了超級(jí)子陣個(gè)數(shù)，將天線陣重新劃分，每個(gè)象限作為一個(gè)超級(jí)子陣，一個(gè)超級(jí)子陣內(nèi)包括736個(gè)單元，按矩形柵格排列。四個(gè)超級(jí)子陣?yán)@著陣面中心的旋轉(zhuǎn)角度分別為：(2°、-2°、-4°、4°)。旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行平移錯(cuò)位，避免干涉，減少空隙，最終的單元分布如圖8所示。

圖8 四個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的單元分布圖

仿真計(jì)算后的陣因子方向圖如圖9所示。從圖中可以看出：柵瓣電平出現(xiàn)了明顯分裂，柵瓣電平小于-10 dB。

圖9 四個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的陣因子二維方向圖

2.2 超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)角度的比較選擇

通過上文的仿真分析，本文設(shè)計(jì)的天線陣選擇了四個(gè)超級(jí)子陣的劃分方式。下面通過進(jìn)一步的仿真計(jì)算，比較不同旋轉(zhuǎn)角度對(duì)柵瓣電平和近區(qū)副瓣電平的影響，以確定最合適的旋轉(zhuǎn)角度。

顯而易見，每個(gè)超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)的角度越大，這個(gè)超級(jí)子陣的柵瓣指向角偏離程度也越大，即天線陣方向圖中的柵瓣區(qū)域分裂越明顯，柵瓣電平也隨之降低。同時(shí)，天線單元分布圖出現(xiàn)的空隙也越大，會(huì)導(dǎo)致主瓣近區(qū)附近的副瓣電平抬高。所以，通過對(duì)不同旋轉(zhuǎn)角度的仿真分析，在柵瓣電平和副瓣電平之間折中選擇最合適的旋轉(zhuǎn)角度。

由于天線陣的口徑和單元數(shù)量確定后，在工作頻率內(nèi)的天線增益和波束寬度也基本確定，并不會(huì)隨著超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)而有明顯變化。所以，主要考慮超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)角度對(duì)天線陣合成波束的柵瓣和副瓣特性的影響。

不考慮幅相誤差，天線陣加-35 dB泰勒權(quán)時(shí)，表1列出了四個(gè)超級(jí)子陣在不同旋轉(zhuǎn)角度條件下，天線陣因子方向圖中的柵瓣電平和主瓣近區(qū)附近的第一副瓣電平。

表1 不同旋轉(zhuǎn)角度下陣因子的柵瓣和副瓣(-35 dB泰勒權(quán))

不考慮幅相誤差，天線陣加-45 dB泰勒權(quán)時(shí)，表2列出了四個(gè)超級(jí)子陣在不同旋轉(zhuǎn)角度條件下，天線陣因子方向圖中的柵瓣電平和主瓣近區(qū)附近的第一副瓣電平。

表2 不同旋轉(zhuǎn)角度下陣因子的柵瓣和副瓣(-45 dB泰勒權(quán))

從上面的仿真結(jié)果可以看出：1)當(dāng)柵瓣已經(jīng)基本分裂后，即使旋轉(zhuǎn)角度取得再大，對(duì)柵瓣電平影響也有限；2)旋轉(zhuǎn)角度過大，近區(qū)副瓣電平明顯抬高；3)近區(qū)副瓣電平主要受單元分布的縫隙影響，泰勒權(quán)值改善有限。

最終，四個(gè)超級(jí)子陣的旋轉(zhuǎn)角度確定為：(2°、-2°、-4°、4°)。

2.3 天線單元的設(shè)計(jì)仿真

非周期大單元間距天線陣對(duì)天線單元的要求有三點(diǎn)：1)高效率，以保證增益；2)壓低柵瓣；3)水平/垂直面波瓣盡量等化。因此，本文設(shè)計(jì)的天線陣采用了具有均勻口徑分布的喇叭天線，如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)天線陣采用的喇叭天線單元

天線單元的典型增益為17 dB，其單元波瓣方向圖如圖11所示。

圖11 天線單元波瓣方向圖

可以看出，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，使喇叭口面場(chǎng)近似為均勻分布后，天線單元波瓣在20°附近為零點(diǎn)區(qū)域，與天線陣的柵瓣區(qū)域重合，這就保證了天線陣的合成波束在法向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較高的柵瓣。當(dāng)天線陣掃描時(shí)，由相控陣天線理論可知，合成波束的柵瓣電平受陣因子和單元因子的疊加影響[5]。

3 工程實(shí)際測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果的對(duì)比

將單元因子代入陣因子后，假定天線陣的口面幅相均方根誤差為1 dB和10°，最終的仿真計(jì)算結(jié)果為：柵瓣電平≤-13 dB，副瓣電平≤-25 dB。

圖12為超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的設(shè)計(jì)天線陣單元分布正面照片，圖13為設(shè)計(jì)天線陣裝在載車平臺(tái)上的照片。

圖12 超級(jí)子陣旋轉(zhuǎn)后的天線正面照片

圖13 設(shè)計(jì)天線陣裝在載車后的照片

在微波暗室對(duì)設(shè)計(jì)天線陣進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試，實(shí)際測(cè)試的天線陣口面幅相均方根誤差為1 dB和8°，得到天線合成波束方向圖性能并和仿真結(jié)果比對(duì)，如圖14～圖16所示。

表3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比對(duì)表 dB

序號(hào)項(xiàng)目柵瓣電平副瓣電平1實(shí)測(cè)≤-14．5≤-25．82仿真≤-13．7≤-26．0

圖14 天線波束二維方向圖仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

圖15 10°掃描時(shí)實(shí)測(cè)與仿真水平面方向圖對(duì)比

圖16 0°掃描時(shí)實(shí)測(cè)與仿真水平面方向圖對(duì)比

4 結(jié)束語

本文將旋轉(zhuǎn)超級(jí)子陣抑制柵瓣的方法，應(yīng)用在車載機(jī)動(dòng)式相控陣天線中。結(jié)合工程實(shí)例，介紹了這類天線陣列的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)影響指標(biāo)的兩個(gè)重要約束條件：超級(jí)子陣數(shù)目和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了比較分析。

天線陣列最終實(shí)測(cè)的柵瓣電平-14.5 dB，副瓣電平-25.8 dB，與仿真結(jié)果吻合，證明了其工程可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)追求大威力、小掃描角的車載式相控陣天線設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒。

[1] 戴其龍. 有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面可靠性設(shè)計(jì)分析[J]. 電子機(jī)械工程, 1999, 81(5): 51-53. DAI Qilong. Reliability design analysis on antenna of active phased array radar[J]. Electro-Machanical Engineering, 1999, 81(5): 51-53.

[2] WANG H, FANG D G, CHOW Y L. Grating lobe reduction in a phased array of limited scanning[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(6): 1581-1586.

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[5] 張光義. 相控陣?yán)走_(dá)天線[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1994. ZHANG Guangyi. Phased array radar antenna[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1994.

馬 靜 男，1977年生， 碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣虘B(tài)有源陣列天線、寬帶相控陣、數(shù)字陣列天線。

劉明罡 男，1981年生，博士。研究方向?yàn)榘ㄎ⒉瓣嚵刑炀€。

倪迎紅 女，1977年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榍閳?bào)研究。

Application of Tilted Super Sub-arrays on Vehicle Mounted Radar Antennas

MA Jing1,2，LIU Minggang1,2，NI Yinghong1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Nanjing 210039, China)

The aperiodic array arrangement and the radiation performance of the ground based radar-prototype antenna are discussed firstly. Then with an engineering example, the design method of tilted super sub-arrays is introduced, which are used to compose array antennas of vehicle mounted radars. Both simulation and experiment are carried out, the results of which are also presented and agree well with each other, validating the design method and analysis. This work has certain instructional significance to relevant engineering practice.

super sub-array; X-band phased array antenna; aperiodic array

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.014

馬靜 Email：markjin2000@sina.com.cn

2016-08-22

2016-10-20

TN82

A

1004-7859(2016)11-0066-05