張繼浩，李麗嫻，陳磊磊，吳文友，黃 一

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

利用平面二維相掃有源相控陣體制照射天線，可以靈活實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)照射、間斷照射，但是由于陣列天線照射波束由若干天線單元在空間通過(guò)矢量疊加形成，矢量同相疊加形成照射天線主波束，矢量反向疊加形成照射天線凹口[1]，在半主動(dòng)尋的體制的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中[2-3]，導(dǎo)彈飛行的后半程需要照射天線的副瓣提供穩(wěn)定指令信號(hào)，如果在某一空域，照射天線副瓣的凹口對(duì)準(zhǔn)了導(dǎo)引頭天線，這將導(dǎo)致導(dǎo)引頭收到的指令信號(hào)能量過(guò)低，導(dǎo)彈將失去指令信號(hào)，從而失鎖，嚴(yán)重情況下導(dǎo)彈會(huì)失去目標(biāo)，導(dǎo)致任務(wù)失敗[4]。

對(duì)于常規(guī)的固定波束照射天線，由于波束及凹口區(qū)域是固定不變的，可用一可調(diào)相位固定寬波束輔助天線與主天線同時(shí)照射，補(bǔ)償天線副瓣區(qū)域內(nèi)凹口，但由于相控陣體制照射天線在工作時(shí)，天線波束時(shí)刻掃描切換，波束是可變不固定的，需要在不同的波束位置補(bǔ)償天線副瓣區(qū)域內(nèi)的凹口，用這種可調(diào)相位固定寬波束輔助天線不能補(bǔ)償掃描后的照射天線的凹口，因此這種常規(guī)的補(bǔ)償方式對(duì)相控陣體制照射天線將不再適合。

本文致力于解決相控陣照射天線的凹口補(bǔ)償問(wèn)題，從陣列天線的理論出發(fā)，提出了一種相控陣照射天線凹口補(bǔ)償?shù)墓こ虒?shí)現(xiàn)方式，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真，給出了補(bǔ)償前后的比較方向圖及掃描后的補(bǔ)償效果，通過(guò)與外場(chǎng)實(shí)測(cè)方向圖的比較，表明該補(bǔ)償方式能有效解決相控陣體制照射天線的凹口問(wèn)題 。

1 相控陣照射天線凹口形成原理

相控陣照射天線為二維相位掃描的平面有源相控陣天線，可以看成2個(gè)線性相控陣天線的組合，即方位向一維線性相控陣天線與俯仰向一維線性相控陣天線組成，因此，分析二維相位掃描的平面有源相控陣天線可以從分析一維線性相控陣天線原理著手。設(shè)一維線性天線陣由N個(gè)天線單元構(gòu)成，等間距排布，單元間距為d，則天線的幅度方向圖為[5]：

(1)

(2)

式中，p=±1,±2,±3,…,表示凹口(零點(diǎn))位置的序號(hào)；θB為天線掃描角。第p個(gè)凹口(零點(diǎn))線陣出現(xiàn)凹口(即零點(diǎn))的位置θP0，根據(jù)式(2)，表示為：

(3)

(4)

由上述分析看出，一個(gè)由N個(gè)單元構(gòu)成的直線陣列,形成的方向圖，在±90°的觀察角度內(nèi)，會(huì)有N個(gè)固定角度的凹口，對(duì)于一個(gè)M×N單元的二維平面相控陣天線，形成的固定角度的波瓣凹口有M+N個(gè)。

2 平面相控陣照射天線方向圖仿真

對(duì)于一個(gè)三角排列的平面相控陣天線陣面如圖1所示。

圖1 陣列布局

根據(jù)陣面排列，可以計(jì)算二維平面相控陣天線的方向圖[6]，計(jì)算式為:

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(5)

k(dr2cosθsinφ-α)]。

(6)

為了在(θB、φB)方向上獲得波束最大值，α、β應(yīng)為：

(7)

一個(gè)方位面28個(gè)天線單元，俯仰面18個(gè)天線單元，dx為0.5λ，dy為0.65λ的陣面，陣面方位/俯仰面的仿真方向圖及所需滿足的功率電平要求曲線如圖2所示。由圖2可看出，方位/俯仰方向圖上存在凹口，即仿真方向圖上功率電平小于功率電平要求曲線的區(qū)域，這就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)彈在飛臨這些空域時(shí)，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭天線接收到照射天線發(fā)射的指令信號(hào)功率低，引起導(dǎo)彈失去指令信號(hào)，從而失鎖，嚴(yán)重情況下導(dǎo)彈會(huì)失去目標(biāo)，導(dǎo)致任務(wù)失敗。

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖2 仿真方向圖及相應(yīng)的功率指標(biāo)要求

3 凹口的解決方法

相控陣照射天線的凹口是由天線單元在空間通過(guò)矢量反向疊加形成，可以考慮增加一個(gè)輔助相控陣照射天線[7]，通過(guò)給予不一致的初相位值，改變天線單元在遠(yuǎn)場(chǎng)的矢量迭加，從而消除陣面方位/俯仰方向圖在±20°內(nèi)存在的凹口。為保證雷達(dá)整體陣面的一體性，輔助天線選用主天線中的部分單元構(gòu)成，隨主天線同步參與二維電掃。由于輔助天線既要補(bǔ)償主天線在空域±20°范圍內(nèi)的凹口，又不能影響主天線的主波束性能，因此，將輔助天線的3dB波束寬度設(shè)計(jì)成25°較為合適，根據(jù)相控陣?yán)碚摽删C合出輔助天線的規(guī)模為方位面4個(gè)天線單元，俯仰面4個(gè)天線單元，共計(jì)16個(gè)單元構(gòu)成，如圖3所示，空心單元為相控陣照射天線主陣面單元，實(shí)心單元為相控陣照射天線輔助單元[8]。

圖3 帶有輔助天線的相控陣照射天線

主天線和輔助天線單獨(dú)工作時(shí)在方位/俯仰面上的方向圖如圖4所示。由圖4可得到，在方位/俯仰方向圖±20°的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)主天線的副瓣能量高于輔助天線能量10dB以上時(shí)，這些區(qū)域的功率分布由主照射陣面決定；而當(dāng)輔助天線能量高于主天線能量10dB以上時(shí)，這些區(qū)域的功率分布由輔助照射陣面所決定。

當(dāng)2個(gè)天線置于一個(gè)坐標(biāo)系下共同工作時(shí)，方向圖的計(jì)算式為[9]：

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(8)

F(θ,φ)=F1(θ,φ)+F2(θ,φ)，

(9)

(10)

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖4 主天線和輔助天線的方向圖

式中，F(xiàn)1(θ,φ)為輔助照射相控陣天線的陣面方向圖函數(shù)；F2(θ,φ)為主照射相控陣天線的陣面方向圖函數(shù)；φik為主、輔2個(gè)天線的初始相位差。對(duì)于同時(shí)放置于一個(gè)坐標(biāo)系下的2個(gè)天線，最終的合成方向圖是由2個(gè)天線輻射的電場(chǎng)矢量在空域互相干涉疊加的結(jié)果，且主要由2個(gè)天線的初始相位差所決定。取45°、90°和180°三個(gè)典型的初始相位差，分別進(jìn)行方向圖計(jì)算，如圖5所示。由圖5可看出，當(dāng)2個(gè)天線的初始相位差為180°時(shí)，合成方向圖的凹口補(bǔ)償效果最佳。

天線凹口補(bǔ)償前后的方向圖及相應(yīng)的功率電平要求曲線如圖6所示。由圖6可看出，方位/俯仰方向圖在±20°的范圍內(nèi)，補(bǔ)償后方向圖的功率電平值均大于相應(yīng)的功率電平要求，有效提高副瓣要求區(qū)域凹口能量5～10dB。

照射相控陣在掃描30°后，陣面補(bǔ)償前后的對(duì)比方向如圖7所示。由圖7可以看出，隨著陣面的掃描，輔助天線仍具有良好的補(bǔ)償效果，在方位/俯仰方向圖±20°的范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)凹口。圖8給出了陣面仿真/實(shí)測(cè)方向圖及相應(yīng)的功率電平指標(biāo)，不難看出，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果相一致，在方位/俯仰方向圖±20°的范圍內(nèi)，沒(méi)有凹口。

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖5 不同初始相位差對(duì)應(yīng)的合成方向圖

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖6 補(bǔ)償前后方向圖及相應(yīng)的功率電平要求

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖7 掃描30°后補(bǔ)償前后方向圖比較

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖8 實(shí)測(cè)方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

相控陣照射天線由于天線波束不停地電掃描，為了給半主動(dòng)尋的導(dǎo)引頭提供穩(wěn)定指令信號(hào)，這就需要波束掃描到任何空域位置，都需對(duì)波束的凹口進(jìn)行補(bǔ)償。本文給出了一種平面二維相掃有源相控陣體制照射天線凹口補(bǔ)償方法，利用陣面內(nèi)部16個(gè)天線單元作為輔助天線，同時(shí)利用軟件對(duì)輔助天線單元的相位控制來(lái)補(bǔ)償主天線副瓣區(qū)域內(nèi)的凹口，主天線不增加硬件設(shè)備，成本低，軟件復(fù)雜度低，簡(jiǎn)單易行，適于工程運(yùn)用。

[1] 周朝棟.天線與電波[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2] 何廣軍，張錦華，韓華亭.半主動(dòng)雷達(dá)尋的制導(dǎo)系統(tǒng)反隱身技術(shù)研究[J].航天電子對(duì)抗，2000(4):13-15.

[3] 張海容.半主動(dòng)尋的間斷照射體制與數(shù)學(xué)導(dǎo)引頭[J].上海航天，2001(4):31-33.

[4] 高烽.彈載無(wú)線電尋的裝置的基本體制[J].制導(dǎo)與引信，2006,27(2):1-5.

[5] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001:52-59.

[7] 邱朝陽(yáng)，劉銘湖，饒妮妮.輔助天線配置對(duì)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)性能的影響[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2013,28(2)：123-127.

[8] 劉顏回，廖錕，程娟，等．二維相控陣的自適應(yīng)—自適應(yīng)旁瓣對(duì)消策略[J]．無(wú)線電工程， 2016，46(3)：1-4.

[9] 束咸榮.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007:47-82.