平面相控陣天線損傷分析

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(軍械工程學院電子與光學工程系,河北石家莊050003)

0 引言

相控陣雷達是一種先進的雷達體制,其發展可追溯到20世紀30年代,在20世紀60年代隨著各方面技術的發展,相控陣雷達迅速發展起來。由于相控陣天線具有掃描速度快、作用距離遠、可同時形成多個獨立波束、目標容量大、數據率和分辨率高等優點,相控陣雷達被迅速推廣。在相控陣雷達中天線是區別于其他類型雷達的主要部位,相控陣雷達優越的各項性能主要來源于天線。相控陣天線一般由成千上萬個陣元組成,在使用過程中難免會出現損傷,本文就對相控陣天線陣元的損傷進行了仿真與分析。

國內現有一些對天線損傷的研究,其中包括對反射面天線以及對相控陣的損傷研究。在天線建模[1]的基礎上進行損傷分析。按損傷類型又可分為破片[2-7]、沖擊波[8-9],以及破片和沖擊波復合損傷[10-11]的研究,此外還包括部件失效對相控陣天線的影響分析[12]。國外從1991年起就開始發表陣元損傷校正的相關論文[13],其中大部分以線性陣列一個至幾個陣元損傷校正為研究內容,至今有大量的研究內容已發表。在研究損傷陣元時,國內外統一把簡單損傷的陣元幅度置為“0”,完好的陣元幅度為“1”,以便于進行簡單的損傷分析。本文主要研究平面陣列天線在不同位置下的損傷情況,以副瓣電平為主要評估參數;并對陣面進行區域劃分,提供更精確的損傷評估;對每個區域不同損傷陣元數進行修復,得出每個區域能否修復的臨界值,為損傷評估與修復提供重要依據。

1 相控陣天線

圖1為完好時的平面相控陣陣列,平行于x軸為行,平行于y軸為列。行與行之間間隔為d y,列與列之間間隔為d x,第(m,n)個陣元電流為I mn。二維陣列方向圖的表達式為

式中,EP為陣元方向圖,EF為陣元因子,AF為陣因子,x l=m·d x,y l=n·d y,λ為工作頻率的波長,θ,φ為波束掃描時的角度,θ0,φ0為天線方向圖最大值時的角度。

圖1 完好時陣列

一般情況下不考慮陣元因子的影響,默認其為全方向性的陣子,則EP=1。式(1)變為

在本文中假設所有陣元激勵的幅度相位相同,則所有的I mn為1。則式(3)變為

圖2是陣元損傷時的陣列分布情況,簡單的假設陣元損傷則不輻射電磁波。設定損傷的陣元激勵的幅度為“0”,則陣元部分損傷的天線方向圖可作如下考慮。

令S mn為等于0或等于1的常數:

把式(6)代入式(5)中可得的相控陣天線陣元損傷時的天線方向圖為

圖2 損傷平面陣列

2 天線結構

圖3是陣面結構示意圖,其中每個模塊均為4×4陣面,陣面包括16個模塊,以及下方的電源模塊、波控模塊和故障檢測模塊。

圖3 陣面結構示意圖

圖4是一個簡單的陣面電源控制流程圖,整個陣面包括兩個電源,每個電源為4個匯流條供電,每個匯流條分別為兩個相鄰模塊供電,例如匯流條1為模塊1、模塊2供電。具體供電方案如圖4所示。

在圖3、圖4基礎上來討論損傷的問題。此天線結構圖僅用于理論推導,實際中情況各不相同。各相關數據僅用于理論說明,不具備參考價值。

3 天線損傷及仿真

本文中平面相控陣的基本參數為:中心頻率2.5 GHz,陣元數M=16,N=16,掃描角均為0°,陣元間距為半波長。進行了切比雪夫加權,其副瓣電平為-30 dB。所畫三維圖以正弦空間為坐標,其中,u=sinθcosφ,v=sinθsinφ。θ取值為0°～90°,φ取值為0°～360°。

圖4 陣面電源控制流程圖

天線陣元完好時其三維陣因子圖形以及φ取值為0°和180°的俯仰向方向圖如圖5所示。

圖5中,俯仰向方向圖的橫坐標為sinθ。副瓣電平為-30 dB,由于進行了切比雪夫加權,波瓣寬度經計算得出為8.02°。

3.1 模塊組件損傷

當電源的兩個模塊有任一損傷時,整個陣面的一半陣元無法工作,此時陣面無法正常工作,需要更換損傷的電源模塊。從天線結構圖中計算出電源在所有陣元具有相同損傷率時的損傷概率為5.55%。同理,當波控模塊損傷時,由于波控系統的性質,所以當它損傷時整個陣面都無法正常工作,一旦損傷必須更換,其損傷概率為2.78%。圖6給出電源損傷一個時的仿真結果。可見,輻射方向圖已發生嚴重形變,不能使用。

對于匯流條,一旦損傷出現則兩個模塊無法工作,則可能出現2～16個偶數模塊無法工作的情況。圖7給出當匯流條1損壞時天線陣面的輻射方向圖。

圖5 完好三維天線方向圖與俯仰向方向圖

圖6 電源1損壞的輻射方向圖

圖7 匯流條1損壞的輻射方向圖

此時,方位向與俯仰向的副瓣分別下降為-25.1 d B與-27.5 d B。匯流條1,2,7,8對稱,匯流條3,4,5,6也對稱,圖8給出匯流條3損壞時的輻射方向圖。

圖8 匯流條3損壞的輻射方向圖

由圖8可知,當匯流條3～6損壞時,陣面中心的陣元都將失效,且造成的后果極惡劣。方位向與俯仰向的副瓣分別下降到-15.3 dB與-25.3 dB。

3.2 損傷單個陣元

對陣面每個陣元進行損傷仿真,得到每個位置損傷時方位向副瓣電平與俯仰向副瓣電平之和的示意圖,如圖9所示。

圖9 每個位置損傷時對應的副瓣變化圖

從圖9可以看出,陣元位置不同,副瓣抬高的程度不同。當邊緣位置的陣元損傷時,副瓣接近完好時的-30 dB。最中心陣元損傷時副瓣電平和為-28 dB。方位向與俯仰向的副瓣均為對稱。損傷陣元位置越靠近中心,副瓣抬高越多,性能下降越嚴重。同時也可看出單個陣元失效對陣面方向圖影響較小。

由以上數據得出,損傷陣元位置對損傷情況影響較大。一旦中心位置處出現損傷,則副瓣劇烈抬高。損傷陣元的位置越靠近邊緣,對方向圖的影響越小。

3.3 損傷評估

在修復電源、匯流條和組件的基礎上,還能調節失效陣元周圍完好陣元的幅相值進行方向圖重構。在進行重構以前,首先應進行損傷評估,劃分受損程度,以便進一步判斷是否具有重構的意義,即重構后是否能降低性能繼續投入使用。

本文提出一種簡便、快捷的方法判斷損傷等級,首先根據3.2節中單個陣元損傷的數據對陣面進行劃分。由于越靠近中心陣元失效對平面天線方向圖影響越大,越靠近中心劃分越細。平面劃分的具體方案如下:-28 dB為第一層(最內層4個陣元);-28.1～-28.3 d B為第二層(20個陣元);-28.3～-28.9 dB為第三層(64個陣元);-28.9～-29.4 dB為第四層(44個陣元);-29.4～-30 dB為第五層(最外層124個陣元)。平面具體劃分示意圖如圖10所示。每層失效陣元數對應的損傷等級如表1所示。

圖10 陣面劃分示意圖

表1 每層失效陣元數對應損傷等級

在圖10的基礎上依次仿真每層不同陣元失效對應的方位向與俯仰向副瓣電平之和,根據失效陣元副瓣和將每層失效陣元數劃分為3部分:1)-30～-25 d B內的陣元數;2)-25～-20 dB內的陣元數;3)大于-20 d B的陣元數。其中,-30～-25 dB是較優狀態,可直接降低性能使用,或經過快速修復達到完好狀態,本文將此區間定義為輕損;-25～-20 d B內的失效平面利用剩余完好陣元經算法校正后可達到-30～-25 dB,本文將此區間定義為中損;當陣面失效陣元數達到大于-20 dB時,陣面損傷較重,且經算法較正后性能不一定能達到-30～-25 dB,本文將此區間定義為重損。

第一層至第五層陣元失效數對應的方位向與俯仰向副瓣電平變化趨勢如圖11所示。

圖11 各層損傷不同陣元數對應副瓣變化圖

由圖11中數據可得,每層隨著失效陣元數遞增對應副瓣值,兩條虛線分別為-20 dB與-25 dB,劃分失效陣元數對應的損傷等級。其中,當失效陣元數從15增加到20時,第三層的俯仰向副瓣未惡化,這是由于此時增加的失效陣元沿著方位向方向增加,例如從(12,5)陣元依次到(12,9)陣元累加失效,此時在方位向副瓣電平上體現惡化。其他隨著失效陣元數增加而未惡化的情況類似。

在考慮以上陣元失效數時對應的副瓣值時,都考慮最差的情況,以保證數據的有效性。由于從陣面中心越向外,陣元失效時對天線方向圖的影響越小,所以隨著層數的增大,相同損傷等級對應更多的陣元數。

4 結束語

由上文可知,邊緣區域損傷時對天線方向圖的影響較小。中心區域一旦出現損傷則副瓣抬高嚴重,對整個天線的輻射性能造成極差的影響,主要通過考察副瓣電平這一指標得出。在仿真的基礎上對陣面進行了區域劃分,根據每個區域失效的陣元數,直接判斷失效陣面的損傷等級。為修復判斷提供了一種簡便、迅速且有效的方法。上述結論為相控陣天線陣元損傷評估與修復提供了重要的參考價值。

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