旋轉超級子陣在車載機動式雷達天線中的設計應用

馬 靜，劉明罡，倪迎紅

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術國防科技重點實驗室， 南京 210039)

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·天饋伺系統·

旋轉超級子陣在車載機動式雷達天線中的設計應用

馬 靜1，2，劉明罡1，2，倪迎紅1

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術國防科技重點實驗室， 南京 210039)

首先，概要分析了非周期排布天線的形式，分析了美國地基雷達原型機(GBR-P)天線波束性能；然后，結合一個工程實例，介紹了旋轉超級子陣在車載機動式雷達天線中的設計方法，并進行仿真分析計算；最后，給出了實測結果，與仿真結果相互吻合，具有一定的工程指導意義。

超級子陣；X波段相控陣；非周期排列

0 引 言

隨著預警探測系統的不斷發展，雷達威力的需求越來越高，天線增益也隨之增大。對于常規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，設計高增益相控陣天線具有很強的工程實用性。

有源相控陣天線的成本與通道數量密切相關，減少通道規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波長以上，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量，但是，天線波束的柵瓣無法避免，只能通過單元級或子陣級的非周期排布來進行抑制。

子陣級非周期排布由于子陣區域內是規則的，易于模塊化，便于生產調試和維護。所以，工程實用性更好一些。子陣級非周期排布方法包括：平移、錯位、旋轉、間距隨機化等，Wang H[2]對這些設計方法進行了比較分析。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，但在一些追求遠程探測威力，僅對有限空域掃描的場合還是十分有吸引力的。

對于圓極化天線來說，通過旋轉子陣方式進行非周期排布后，不會造成極化損失，所以，大單元間距的圓極化相控陣天線設計常采用旋轉子陣非周期排布形式。眾所周知的美國地基雷達原型機(GBR-P)雷達，就是一部采用旋轉子陣非周期排布的大型固定式相控陣天線[2]。但采用這種技術的車載機動式相控陣天線，目前還沒有看到有工程使用報道。

文中將這種技術應用到車載機動式雷達上，采用旋轉超級子陣的方法設計了一部圓極化大單元間距相控陣天線，可裝在載車平臺上進行公路運輸。在滿足同樣探測威力的前提下，通道數量僅相當于常規滿陣設計的30%，實現了±10°掃描范圍內，柵瓣電平<-14 dB，副瓣電平<-25 dB。

本文仿真計算了非周期天線陣列需要考慮的兩個關鍵指標：遠區柵瓣電平和近區副瓣電平；并對影響這兩個指標的重要約束條件：超級子陣數目和旋轉角度進行了比較分析，給出了折中考慮后的設計參數；最后的實測結果與仿真結果相互吻合，具有一定的工程指導意義。

1 非周期排布的陣列方向圖合成

經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個單元的激勵值；xk、yk為第k個單元坐標。

對陣因子M(u,v)進行變形

(2)

式中：Mn(u,v)為第n個超級子陣因子；xn、yn為第n個超級子陣中心的相對坐標。

這樣對于整個天線陣的方向圖計算，可以分別計算各個超級子陣的方向圖，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](圖中每個圓點代表一個天線單元)。

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，這是由于其超級子陣的旋轉排列方式能夠使得柵瓣電平出現分裂，達到降低柵瓣電平的目的；2)盡管理論上旋轉后陣因子對柵瓣電平的抑制為20lgN(N為旋轉超級子陣的數目)，即將一個柵瓣完全地分裂為N個，但是需要旋轉足夠大的角度，既容易造成干涉，也會使天線單元分布出現較大空隙，引起副瓣電平的抬高。

圖3 GBR-P雷達天線陣因子二維方向圖

2 旋轉超級子陣在車載機動式天線平臺中的工程設計

2.1 超級子陣個數的選取

本文設計的天線陣未進行超級子陣旋轉前的單元排布圖如圖4所示。天線電口徑長6.84 m，高2.232 m，滿足車載運輸條件。單元分布四周切角，96列32行，共計2 944個天線單元，單元間距2.5個波長(最高工作頻率下)。極化形式為發左收右圓極化，掃描范圍±10°。

圖4 設計天線陣旋轉前的單元分布圖

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

圖5 八個超級子陣旋轉后的單元分布圖

通過仿真計算，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：柵瓣電平未出現明顯分裂，只有-4 dB。這是由于設計的天線陣口徑遠小于GBR-P的天線口徑，如果仍劃分為八個超級子陣，每個超級子陣的規模太小，柵瓣波束較寬，從仿真結果看，通過角度旋轉不易達到分裂柵瓣的目的。

圖6 八個超級子陣旋轉后的陣因子二維方向圖

圖7 八個超級子陣旋轉后的水平面方向圖

所以，在設計時減少了超級子陣個數，將天線陣重新劃分，每個象限作為一個超級子陣，一個超級子陣內包括736個單元，按矩形柵格排列。四個超級子陣繞著陣面中心的旋轉角度分別為：(2°、-2°、-4°、4°)。旋轉后進行平移錯位，避免干涉，減少空隙，最終的單元分布如圖8所示。

圖8 四個超級子陣旋轉后的單元分布圖

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

圖9 四個超級子陣旋轉后的陣因子二維方向圖

2.2 超級子陣旋轉角度的比較選擇

通過上文的仿真分析，本文設計的天線陣選擇了四個超級子陣的劃分方式。下面通過進一步的仿真計算，比較不同旋轉角度對柵瓣電平和近區副瓣電平的影響，以確定最合適的旋轉角度。

顯而易見，每個超級子陣旋轉的角度越大，這個超級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域分裂越明顯，柵瓣電平也隨之降低。同時，天線單元分布圖出現的空隙也越大，會導致主瓣近區附近的副瓣電平抬高。所以，通過對不同旋轉角度的仿真分析，在柵瓣電平和副瓣電平之間折中選擇最合適的旋轉角度。

由于天線陣的口徑和單元數量確定后，在工作頻率內的天線增益和波束寬度也基本確定，并不會隨著超級子陣旋轉而有明顯變化。所以，主要考慮超級子陣旋轉角度對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泰勒權時，表1列出了四個超級子陣在不同旋轉角度條件下，天線陣因子方向圖中的柵瓣電平和主瓣近區附近的第一副瓣電平。

表1 不同旋轉角度下陣因子的柵瓣和副瓣(-35 dB泰勒權)

不考慮幅相誤差，天線陣加-45 dB泰勒權時，表2列出了四個超級子陣在不同旋轉角度條件下，天線陣因子方向圖中的柵瓣電平和主瓣近區附近的第一副瓣電平。

表2 不同旋轉角度下陣因子的柵瓣和副瓣(-45 dB泰勒權)

從上面的仿真結果可以看出：1)當柵瓣已經基本分裂后，即使旋轉角度取得再大，對柵瓣電平影響也有限；2)旋轉角度過大，近區副瓣電平明顯抬高；3)近區副瓣電平主要受單元分布的縫隙影響，泰勒權值改善有限。

最終，四個超級子陣的旋轉角度確定為：(2°、-2°、-4°、4°)。

2.3 天線單元的設計仿真

非周期大單元間距天線陣對天線單元的要求有三點：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，本文設計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 設計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，經過設計優化，使喇叭口面場近似為均勻分布后，天線單元波瓣在20°附近為零點區域，與天線陣的柵瓣區域重合，這就保證了天線陣的合成波束在法向時不會出現較高的柵瓣。當天線陣掃描時，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 工程實際測試結果與設計仿真結果的對比

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°，最終的仿真計算結果為：柵瓣電平≤-13 dB，副瓣電平≤-25 dB。

圖12為超級子陣旋轉后的設計天線陣單元分布正面照片，圖13為設計天線陣裝在載車平臺上的照片。

圖12 超級子陣旋轉后的天線正面照片

圖13 設計天線陣裝在載車后的照片

在微波暗室對設計天線陣進行近場測試，實際測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果比對，如圖14～圖16所示。

表3 實際測試結果與仿真結果比對表 dB

序號項目柵瓣電平副瓣電平1實測≤-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測結果

圖15 10°掃描時實測與仿真水平面方向圖對比

圖16 0°掃描時實測與仿真水平面方向圖對比

4 結束語

本文將旋轉超級子陣抑制柵瓣的方法，應用在車載機動式相控陣天線中。結合工程實例，介紹了這類天線陣列的設計方法，并對影響指標的兩個重要約束條件：超級子陣數目和旋轉角度進行了比較分析。

天線陣列最終實測的柵瓣電平-14.5 dB，副瓣電平-25.8 dB，與仿真結果吻合，證明了其工程可實現性，對追求大威力、小掃描角的車載式相控陣天線設計具有一定的指導和借鑒。

[1] 戴其龍. 有源相控陣雷達天線陣面可靠性設計分析[J]. 電子機械工程, 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.

[3] CRAWFORD J F, REED E, HINES J J, et al. Ground based radar-prototype(GBR-P) antenna [C]// IEE National Conference on Antennas and Propagation. [s. l.]: IEE Press, 1999: 249-252.

[4] LIU M G. Using the FFT in affine coordinate to calculate the beam pattern of planar array[J]. Endocrine Regulations, 1994, 28(1): 17-22.

[5] 張光義. 相控陣雷達天線[M]. 北京：國防工業出版社, 1994. ZHANG Guangyi. Phased array radar antenna[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1994.

馬 靜 男，1977年生， 碩士，高級工程師。研究方向為固態有源陣列天線、寬帶相控陣、數字陣列天線。

劉明罡 男，1981年生，博士。研究方向為包括微波及陣列天線。

倪迎紅 女，1977年生，高級工程師。研究方向為情報研究。

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