寬角掃描相控陣天線空間極化特性研究

胡華強(qiáng)，戴幻堯，周智勇，梁曉新

(1.空軍工程大學(xué)，河南 信陽(yáng) 464000； 2.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,河南 洛陽(yáng) 471003;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100000)

0 引 言

波導(dǎo)縫隙陣列天線廣泛應(yīng)用于窄波束雷達(dá)系統(tǒng)中。其體積小、重量輕、孔徑效率高、旁瓣電平低。目前對(duì)陣列天線的輻射特性進(jìn)行了大量的研究，但沒(méi)有考慮波束在寬角度掃描時(shí)的極化變化[1-3]。實(shí)際上，極化特性總是隨著波束指向的變化而變化。當(dāng)目標(biāo)不沿法線運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的極化狀態(tài)隨偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化[4-5]。這里定義了天線的空間極化特性，用以描述天線的空間極化緩慢變化的特性。共極化的傳統(tǒng)定義為路德維希，以天線孔徑方向?yàn)閰⒖迹此^的主極化方向。在這種情況下，測(cè)試的天線波束是固定的。

在相控陣系統(tǒng)中，天線孔徑是固定的，但在掃描過(guò)程中，波束相對(duì)于陣列孔徑的方向是變化的，同時(shí)主瓣的極化方向圖和極化特性也隨之改變。通過(guò)對(duì)相控陣天線的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量，一般可以得到其在2個(gè)主要平面上的性能：E面和H面。任何一種靈活的測(cè)量設(shè)備都可以測(cè)量任何平面上的共極性和交叉極特性。在這種情況下，合理應(yīng)用空間極化特性可以為雷達(dá)極化信息處理和抗干擾提供新的方法。極化散射矩陣(PSM)被廣泛應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)(SAR)分類成像領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，用于極化濾波、極化增強(qiáng)、極化抗干擾、地理遙感、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域，可用于提取有代表性的物理參數(shù)，提高雷達(dá)性能。本文提出了一種新的極化散射矩陣測(cè)量方法的理論基礎(chǔ)和定量分析。

1 縫隙天線的輻射特性

縫隙天線設(shè)計(jì)在具有一定導(dǎo)電特性的表面上，需要考慮邊緣衍射的影響。圖1所示為矩形導(dǎo)電表面的狹長(zhǎng)縫隙，電磁場(chǎng)沿x軸呈均勻分布，沿y軸呈余弦分布，縫隙內(nèi)具有x軸極化電場(chǎng)。縫隙的長(zhǎng)度是波長(zhǎng)的一半，寬是波長(zhǎng)的十分之一。

圖1 陣列縫隙天線圖

縫隙內(nèi)電場(chǎng)的輻射在xoz平面上達(dá)到峰值，在軸向上接近于零。因此，將輻射問(wèn)題簡(jiǎn)化為有無(wú)限長(zhǎng)的縫隙二維輻射問(wèn)題。幾何衍射理論表明，除了直接輻射外，還存在2條邊的平行衍射。一個(gè)固定遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)的總電場(chǎng)是這兩者的和，為了簡(jiǎn)化，我們忽略了高階衍射。

在無(wú)限長(zhǎng)的假設(shè)下，從縫隙到固定觀測(cè)點(diǎn)P(r,θ,φ=0) 的直接輻射場(chǎng)可以表示為:

(1)

有Q1,Q22個(gè)邊的衍射場(chǎng)是:

(2)

(3)

衍射系數(shù)計(jì)算如下:

(4)

所以，總輻射場(chǎng)的大小為:

(5)

2 掃描波束的極化特性分析

輻射電磁場(chǎng)正切分量的傅里葉變換計(jì)算如下：

(6)

(7)

其反變換如下：

(8)

(9)

TE和TM可由磁場(chǎng)向量Az和電場(chǎng)向量Amz的Z分量計(jì)算出，在全局坐標(biāo)系中，Az和Amz以波函數(shù)疊加的形式給出，其具體表示如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

Ez和Eφ計(jì)算公式如下:

(14)

(15)

用無(wú)限積分求導(dǎo)給出了近似的解析函數(shù):

(16)

(17)

一般情況下，二維陣列的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)可由式(18)求得:

(18)

3 仿真和分析

為了檢驗(yàn)Co/Cross極化性能，該陣列需要建立一個(gè)有限的地平面模型。陣列可以沿x軸定向輻射，如下面的模擬所示。確定陣列的方向，使電場(chǎng)分量水平，即平行于“大地”坐標(biāo)系中的x-y平面。水平極化(HP)對(duì)應(yīng)于Co極化，垂直極化對(duì)應(yīng)于交叉極化[6]。

陣列極化圖是基于5×5單元矩形槽的輻射圖。陣列工作頻率為1 GHz，所以波長(zhǎng)λ等于0.3 m。單元長(zhǎng)、寬分別為0.03 m和0.15 m，單元間距為dx=0.25λ和dy=0.8λ。槽陣幾何圖形如圖1所示。輻射圖的三維視圖如圖2～3所示。

圖2 正交極化三維圖

圖3 交叉極化三維圖

在計(jì)算中，沒(méi)有考慮陣列單元間的相互耦合效應(yīng)和不匹配。陣列與單個(gè)單元相比具有不同的極化特性，因?yàn)殛嚵袑?duì)當(dāng)前模式的影響是不均勻的。模擬的主要目的是研究掃描波束的極化特性，并給出一些定性和定量的結(jié)論。首先，當(dāng)電磁波輻射在正常方向時(shí)，給出了不同方位角和俯仰角觀測(cè)方向的極化特性，然后重點(diǎn)討論了天線在窄掃描角和寬掃描角下的極化特性[7]。

正交極化和交叉極化的三維圖如圖2和圖3所示。E面波束寬度相對(duì)較寬，旁瓣約為-20 dB。圖4是考慮了零掃描角所生成的圖案。當(dāng)觀測(cè)方向正常時(shí)，只有正交極化電平。當(dāng)觀測(cè)偏離正常方向時(shí)，正交極化電平減小，交叉極化電平升高，這解釋了極化狀態(tài)是隨觀測(cè)方向的變化。方位角面和俯仰角面的輻射圖如圖4和圖5所示。

圖4 俯仰角平面極化圖

圖5 方位角平面極化圖

陣列在方位角面掃描1°，在俯仰角面掃描0°/10°/25°時(shí)的仰角圖如圖6所示。可以看出，極化圖結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，交叉極化分量從-50 dB上升了約10 dB，旁瓣也變寬了。當(dāng)方位角面掃描到10°時(shí)(如圖7所示)，仰角掃描在小范圍(0°/2°/4°)時(shí)，交叉極化分辨力(XPD)提高到-30 dB左右。當(dāng)方位角掃描角提高到20°時(shí)(如圖8)，XPD接近-20 dB。為了研究方位角平面的極化特性，圖9和圖10給出了一些仿真結(jié)果。當(dāng)槽形相控陣俯仰角面掃描2°，方位角面掃描0°到20°時(shí)，旁瓣電平從-25 dB上升到-15 dB，輻射圖出現(xiàn)畸變和不對(duì)稱。主瓣的交叉極化電平由-42 dB提高到-35 dB。當(dāng)寬腳掃描到位置(Ez=30,Az=20)時(shí)，電平將上升到-12 dB。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)天線為線極化時(shí)，相控陣的極化特性會(huì)隨著電氣控制的寬腳掃描而發(fā)生變化。同時(shí)，天線增益減小，波束寬度增大。事實(shí)上，除了波束中心方向外，兩個(gè)極化分量并不是處處正交的。雖然極化性質(zhì)和狀態(tài)總是隨著掃描的變化而變化(如圖11)，但這并不意味著極化損耗會(huì)增加。它可以看作是一種空間極化多樣性[8]。

(Az=1,Ez=0,10,25)圖6 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Az=10,Ez=0,2,4)圖7 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Az=20,Ez=0,2,4)圖8 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Ez=2,Az=0,20)圖9 方位角平面的掃描陣列極化圖形

(Ez=30,Az=0,20)圖10 方位角平面的掃描陣列極化圖形

圖11 龐加萊球面掃描陣列極化狀態(tài)

4 結(jié) 論

本文主要討論了掃描相控陣的空間極化特性。從理論上推導(dǎo)了波導(dǎo)裂縫陣列的極化圖案函數(shù)。通過(guò)仿真試驗(yàn)，定性和定量地給出了掃描陣列天線的極化特性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)方位角和仰角較小時(shí)，波瓣特性和極化變化不大。但在寬掃描角情況下，主瓣的交叉極化水平急劇增加。為探索和指導(dǎo)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)搜索跟蹤的信號(hào)處理和極化信息處理帶來(lái)了新的思路。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，單極化相控陣?yán)走_(dá)可以獲得完整的極化信息。