董鵬曙,金加根,謝幼才,王志綱

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北武漢430019)

0 引言

天線在雷達(dá)中占有非常重要的地位,其作用是向探測空域輻射大功率的電磁波,并接收目標(biāo)反射的微弱信號。在對雷達(dá)探測性能進(jìn)行分析時,通常只考慮天線增益、波束寬度等參數(shù)[1-2]。實際上,任何雷達(dá)天線都有副瓣,而且覆蓋主瓣以外的所有區(qū)域。天線副瓣對雷達(dá)探測的影響主要包括三個方面:一是在發(fā)射的過程中,副瓣輻射的電磁波分散了發(fā)射能量,降低了主瓣照射功率;二是在接收的過程中,副瓣接收的雜波與主瓣接收的雜波疊加在一起,增加了雜波的強(qiáng)度;三是副瓣給有源干擾提供了進(jìn)入的通道。由此,導(dǎo)致雷達(dá)探測性能的下降。本文主要分析天線副瓣輻射對雷達(dá)探測性能的影響。

1 理論分析

1.1 副瓣輻射分析

為了簡化分析,以兩坐標(biāo)雷達(dá)為例。假設(shè)天線主瓣的零點波束寬度為θ0,主瓣范圍以內(nèi)單位方位角的平均輻射功率為P m,主瓣范圍以外單位方位角的平均輻射功率為P r,天線總輻射功率為P,則

定義主瓣以外單位方位角平均輻射功率P r與主瓣內(nèi)單位方位角的平均輻射功率P m的比值為平均副瓣,則

由此可得主瓣輻射功率為

顯然,主瓣輻射功率小于總輻射功率。將副瓣輻射對主瓣輻射的影響定義為副瓣損耗因子,則

1.2 副瓣接收分析

為了保證對低空空域的覆蓋,雷達(dá)一般將俯仰面主波束設(shè)置為3 dB觸地。在主波束觸地范圍內(nèi),面雜波(包括地雜波、海雜波)是目標(biāo)探測的主要障礙,面雜波的強(qiáng)弱一般用雜波反射面積σc來表征[3]。

式中,σ0為面雜波單元的歸一化反射系數(shù);0.5cτsecα為分辨單元距離向的長度,α為雷達(dá)照射的傾角;Rθ0為分辨單元方位向的寬度。主瓣雜波單元如圖1所示。

圖1 主瓣雜波單元、副瓣雜波單元示意圖

天線副瓣輻射功率同樣也接收雜波,而且覆蓋主瓣以外的所有區(qū)域。為了簡化分析,假設(shè)在相同距離上面雜波的特性一致,歸一化反射系數(shù)均為σ0,將副瓣雜波反射面積記為σcsll,則

在接收機(jī)中,主瓣雜波和副瓣雜波混合在一起,構(gòu)成總的雜波?？紤]天線主瓣、副瓣增益和收發(fā)雙程因素,總的雜波反射面積為

將副瓣輻射對雜波反射面積的影響定義為雜波增強(qiáng)因子K,則

一般而言,雷達(dá)天線副瓣電平優(yōu)于-20 dB,雷達(dá)天線平均副瓣比最大副瓣電平低3～12 dB[4-6],上式中第二項的數(shù)值在0.01以下。因此,副瓣輻射對雜波的影響可忽略不計。

1.3 副瓣干擾分析

情報雷達(dá)天線通常是圓周掃描工作,干擾對準(zhǔn)主瓣的時間極短,對準(zhǔn)副瓣時間極長,干擾主要通過副瓣進(jìn)入。雷達(dá)抗副瓣干擾能力可用副瓣自衛(wèi)距離來度量[7-8]。

雷達(dá)主瓣接收目標(biāo)回波信號功率為

式中,Pt為主瓣輻射功率;G為天線增益;λ為發(fā)射信號波長;σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積;R為目標(biāo)距離;L為損耗。接收系統(tǒng)噪聲功率為

式中,k為波耳茲曼常數(shù);T為系統(tǒng)噪聲溫度;B為接收機(jī)噪聲帶寬。雷達(dá)副瓣接收干擾信號功率為

式中,Pj為干擾機(jī)輻射功率;Gj為干擾機(jī)天線增益;Gr為雷達(dá)天線副瓣增益;Rj為干擾機(jī)距離;γ為極化失配系數(shù)。在干擾背景中探測目標(biāo),必須滿足

式中,KJ為信號檢測所要求的最小信干比。

當(dāng)雷達(dá)天線副瓣增益為0(即理想無副瓣天線)時,沒有副瓣干擾,雷達(dá)探測僅受噪聲影響,其探測距離取最大值:

式中,Kmin為信號檢測所要求的最小信噪比。

當(dāng)天線副瓣增益不為0,則有

雷達(dá)副瓣自衛(wèi)距離為

假設(shè)信號檢測所要求的最小信噪比、信干比相等,則

式中,αj,βj分別為雷達(dá)天線主瓣接收干噪比和副瓣接收干噪_比,且

由此可得

雷達(dá)副瓣自衛(wèi)距離由雷達(dá)最大探測距離、主瓣接收干噪比和天線平均副瓣電平等決定。

1.4 副瓣對雷達(dá)探測的影響分析

副瓣輻射對雷達(dá)探測的影響主要體現(xiàn)在最大探測距離和副瓣自衛(wèi)距離上。雷達(dá)在無干擾環(huán)境下探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時,其主要限制因素是噪聲。副瓣輻射的影響是使主瓣輻射功率降低倍。因此在雷達(dá)方程總的損耗因子中,還需要考慮副瓣損耗因子。

2 計算分析

2.1 副瓣損耗

表1給出了天線主瓣的零點波束寬度θ0、平均副瓣取不同的值時,副瓣損耗因子的計算結(jié)果;圖2給出副瓣損耗因子隨零點波束寬度θ0、平均副瓣的變化情況。

表1 副瓣損耗因子

表1 副瓣損耗因子

θ0/(°) SLL/dB________________-20_______-27__________________________-30_-35 13691 2 15 18 21 24 27_________30 0.2179 0.4566 0.6289 0.7194 0.7752 0.8130 0.8403 0.8613 0.8772 0.8905 0.9009__0.5826 0.8081 0.8946 0.9278 0.9453 0.9561 0.9635 0.9688 0.9728 0.9760 0.9785__0.7358 0.8936 0.9443 0.9625 0.9718 0.9775 0.9814 0.9842 0.9862 0.9881 0.9891__0.8977 0.9634 0.9814 0.9881 0.9911 0.9930 0.9940 0.9950 0.9960 0.9960 0.9970

圖2 副瓣損耗因子與平均副瓣電平、零點波束寬度關(guān)系曲線

由表1和圖2可以看到:

(2)對警戒雷達(dá)而言[8],其半功率點波束寬度θ0.5一般為5°～10°,零點波束寬度θ0為15°～30°,平均副瓣電平優(yōu)于-20dB,副瓣損耗因子在1dB以下,可忽略不計。對引導(dǎo)雷達(dá)而言[8],其半功率點波束寬度θ0.5一般為1°～2°,零點波束寬度θ0為3°～6°,平均副瓣電平優(yōu)于-30dB時,副瓣損耗因子在0.5dB以下,可忽略不計;平均副瓣電平在-27～-20 dB時,副瓣損耗因子在1～3.5 dB之間,計算雷達(dá)最大探測距離時應(yīng)予考慮。

2.2 副瓣自衛(wèi)距離

取雷達(dá)與干擾機(jī)的典型參數(shù)如表2所示,計算可得主瓣接收干噪比αj可達(dá)106量級。

表2 雷達(dá)與干擾機(jī)參數(shù)

圖3給出了主瓣接收干噪比αj為105～108時,雷達(dá)副瓣自衛(wèi)距離與平均副瓣電平的關(guān)系曲線。

圖3 副瓣自衛(wèi)距離與主瓣接收干噪比、平均副瓣電平關(guān)系曲線

由圖3可以看到:

(1)干擾越強(qiáng),雷達(dá)副瓣自衛(wèi)距離越小。

(2)當(dāng)干噪比很高時,副瓣自衛(wèi)距離與平均副瓣電平呈線性關(guān)系:平均副瓣電平每降低4 dB,副瓣自衛(wèi)距離增大1 dB,約增加25.9%。

3 結(jié)束語

理論分析和計算表明,天線副瓣對雷達(dá)最大探測距離有一定的影響,對副瓣自衛(wèi)距離有較大的影響。對警戒雷達(dá)而言,副瓣損耗因子對最大探測距離的影響很小,一般可忽略不計。對引導(dǎo)雷達(dá)而言,天線副瓣較低時(平均副瓣電平優(yōu)于-30 dB),副瓣損耗因子對最大探測距離的影響可忽略不計;天線副瓣較高時(平均副瓣電平-27～-20 dB),副瓣損耗因子在1～3.5 dB之間,計算雷達(dá)最大探測距離時應(yīng)予考慮。對所有雷達(dá)而言,副瓣電平每降低4 d B,副瓣自衛(wèi)距離均增大1 dB。本文分析結(jié)論對雷達(dá)總體設(shè)計及探測性能分析計算有一定的參考價值。

[1]張祖稷,金林,束咸榮.雷達(dá)天線技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]酈能敬,王被德,沈齊.對空情報雷達(dá)總體論證——理論與實踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[3]Skolnik M I.雷達(dá)手冊[M].王軍,林強(qiáng),米慈中,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[4]南京電子技術(shù)研究所.雷達(dá)系統(tǒng)分析與建模[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[5]李剛.高增益低副瓣卡塞格倫天線設(shè)計[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2010,8(6):568-570.LI Gang.Design of a High Gain and Low Sidelobe Cassegrain Antenna[J].Radar Science and Technology,2010,8(6):568-570.(in Chinese)

[6]熊毅,符偉,錢林,等.有源相控陣天線自動測試系統(tǒng)設(shè)計 [J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(5):561-564.XIONG Yi,FU Wei,QIAN Lin,et al.Design of Automatic Testing System for Active Phased Array Antenna[J].Radar Science and Technology,2012,10(5):561-564.(in Chinese)

[7]潘妍妍,鄧維波.低峰值旁瓣電平稀布陣綜合算法研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(3):290-294.PAN Yan-yan,DENG Wei-bo.Study on Sparse Arrays Synthesis with Low Peak Side-Lobe Level[J].Radar Science and Technology,2013,11(3):290-294.(in Chinese)

[8]鐘華,束咸榮.論雷達(dá)天線旁瓣電平指標(biāo)的確定[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(7):12-18.