一種平面陣的非均勻子陣劃分方法

葛佩李明滕飛

(西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

1 引言

數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)，是將傳統(tǒng)相控陣雷達中射頻復(fù)加權(quán)移至數(shù)字基帶上的波束形成技術(shù)，將陣列中的衰減器和移相器轉(zhuǎn)化為對數(shù)字信號進行加權(quán)運算。所加的陣列權(quán)值是根據(jù)陣元獲取的采樣數(shù)據(jù)以及波束形成的輸出數(shù)據(jù)，運用某種自適應(yīng)算法進行實時更新，從而得到具有特定形狀和期望零點的波束，并且達到增強有用信號、抑制干擾的目的。二維相掃的平面相控陣雷達能同時在方位角和俯仰角兩個方向上實現(xiàn)天線波束的掃描，目前已廣泛的被用于戰(zhàn)術(shù)雷達，結(jié)合高效率的DBF技術(shù)，平面相控陣雷達多方面的性能將得到顯著改善[1]。但是大型相控陣陣元數(shù)目眾多，對每個陣元使用單獨接收通道將導(dǎo)致硬件系統(tǒng)龐大。將多個陣元利用微波網(wǎng)絡(luò)合成子陣，進行子陣級DBF，不但能夠減少通道數(shù)目，其自適應(yīng)方向圖保形良好。

Nickel[2]曾研究了線陣的兩種非均勻子陣結(jié)構(gòu)，提出了相鄰子陣中心間距無公約數(shù)的構(gòu)陣原則，F(xiàn)errier[3]比較了一種非均勻鄰接子陣與均勻鄰接子陣結(jié)構(gòu)，得出前者的自適應(yīng)方向圖沒有柵瓣，但是副瓣電平較高。許志勇等[4]提出的等噪聲功率法，雖然能抑制柵瓣，但是降維效果有限。在平面陣劃分方面，Hu Hang等[5]通過GA搜索來劃分面陣，得到較好的劃分方式，但這種劃分結(jié)構(gòu)極為不規(guī)則。本文分析了幾種子陣結(jié)構(gòu)的特點，基于平面陣提出了非均勻子陣的構(gòu)陣原則，有效的降低了平面陣的子陣級自適應(yīng)處理的維數(shù)。該方法構(gòu)陣結(jié)構(gòu)簡單，克服了柵瓣效應(yīng)，有效抑制旁瓣電平，仿真表明其方向圖保形良好。

2 子陣結(jié)構(gòu)介紹

相控陣天線的子陣劃分原則可以分為重疊子陣和非重疊子陣。重疊子陣劃分的子陣相互重疊，即部分陣元被不同的子陣共用。這樣可以使相位中心距離減小，柵瓣間隔增大，但其硬件復(fù)雜度太大。非重疊子陣劃分可以分為鄰接子陣和非鄰接子陣。鄰接子陣劃分的子陣陣元互相鄰接，硬件實現(xiàn)簡單。子陣級處理的結(jié)構(gòu)如圖1。通過不同的微波網(wǎng)絡(luò)形成不同的子陣，每個子陣對應(yīng)一個接收通道。

圖1 子陣結(jié)構(gòu)框圖

平面陣的均勻鄰接子陣結(jié)構(gòu)中，每個子陣陣元數(shù)目相同，陣元排列結(jié)構(gòu)一致。因此每個子陣合成的微波網(wǎng)絡(luò)相同，硬件結(jié)構(gòu)簡單。由于每個子陣結(jié)構(gòu)完全相同，每個子陣的陣列方向圖一致，可以求的合成方向圖函數(shù)為:

由式(3)可推出均勻子陣劃分的等幅均勻平面陣出現(xiàn)柵瓣[6]的條件為:

平面陣的非均勻鄰接子陣結(jié)構(gòu)，每個子陣陣元個數(shù)不等，陣元排列不都相同。因此方向圖函數(shù)表示為:

式中，fMN(θ，φ)表示(M，N)子陣的陣因子;DM和DN表示子陣相位中心在方位角和俯仰角方向的位置，以陣元間距為單位。由此可以看出，非均勻鄰接子陣結(jié)構(gòu)可以打亂相位中心位置的重復(fù)性，克服柵瓣現(xiàn)象。

3 平面陣非均勻子陣結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計子陣結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上內(nèi)容的分析，得出一種簡單實用的平面陣劃分方法，其特點是:

劃分的子陣在行和列方向均為中心對稱結(jié)構(gòu)

行劃分和列劃分形式盡量相同

每個子陣的規(guī)模差距較小

子陣間不重復(fù)使用陣元

子陣相位中心沒有重復(fù)性

根據(jù)上述特點，本文給出了平面陣的劃分結(jié)構(gòu)。假設(shè)O×Q個陣元的平面陣，劃分為M×N個子陣，首先按照提出的特點在行方向上，將相鄰的若干子陣合成一組;然后在列方向上進行類似的劃分。取陣元數(shù)為16×16，陣元間距為d=λ/2，被劃分為4×4個子陣，陣元噪聲功率σ2=1，利用本文所提出的劃分原則，得到一種子陣劃分結(jié)構(gòu)如圖2所示。該平面陣的子陣結(jié)構(gòu)僅需要三種微波網(wǎng)絡(luò)，合成結(jié)構(gòu)簡單，自適應(yīng)性能良好。

圖2 子陣劃分結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真1

取一維等距線陣模型，陣元數(shù)為N=40，陣元間距d=λ/2，子陣級加－30dB泰勒加權(quán)，劃分為8個子陣。非均勻劃分方案為[6 5 5 4 4 5 5 6]。

圖3和圖4分別為均勻子陣劃分和非均勻子陣劃分的等距線陣加窗的方向圖。從圖中可以看出，均勻劃分陣列子陣級加泰勒窗，其第一旁瓣為－25.13dB，而非均勻劃分子陣級加泰勒窗，其第一旁瓣為－23.97dB，第一旁瓣電平下降了1.16dB。非均勻劃分子陣級波束形成，在一定程度上減弱了柵瓣效應(yīng)，其性能優(yōu)于均勻劃分的陣列。

圖3 均勻子陣劃分

圖4 非均勻子陣劃分

仿真2

取一維等距線陣模型，陣元數(shù)為N=40，陣元間距d=λ/2，陣元無幅度加權(quán)，劃分為8個子陣。非均勻子陣劃分方案一為[6，5，5，4，4，5，5，6]，方案二為[8，6，4，2，2，4，6，8]。信號和干擾均為窄帶，信號方向為0°，干擾方向為(－35°，20°，45°)，干擾噪聲均為50dB，噪聲為平穩(wěn)的零均值的帶限高斯過程，噪聲間相互獨立，且與信號不相關(guān)，快拍數(shù)為400。

圖5 陣元級自適應(yīng)方向圖

從圖5中可以看到，無論是均勻子陣還是非均勻子陣，都能和全自適應(yīng)陣一樣，有效的抑制來自不同方向的干擾，而且置零深度也很深，可以達到－80dB以下。圖6均勻子陣的陣列方向圖主瓣發(fā)生了畸變，主瓣的不對稱，第一副瓣電平為 －12.87dB，而且產(chǎn)生很深的柵零點，影響了陣列對有用信號的有效接收;圖7非均勻劃分方案一的第一旁瓣達到－15.98dB，比均勻劃分時低了3.11dB，圖8非均勻劃分方案二的第一旁瓣達到－19.23dB，低于均勻劃分6.36dB，其干擾抑制效果明顯，零深均低于80dB，沒有柵零點。

仿真3

取二維豎面平面陣模型，陣元數(shù)為16×16，陣元為全向陣元，x軸方向與z軸方向陣元均為均勻排列，陣元間距都為λ/2。設(shè)期望信號為俯仰角與方位角為(0°，0°)，有2個確知的窄帶干擾信號，俯仰角與方位角分別為(－35°，15°)和(20°，－30°)，干噪比均為 50dB，天線在 －90°，90°范圍內(nèi)掃描。均勻子陣劃分為4行4列，非均勻子陣劃分結(jié)構(gòu)如圖2。以下仿真為合成方向圖。

圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)分別為全自適應(yīng)方法、均勻劃分子陣級自適應(yīng)方法和本文中的非均勻劃分子陣級自適應(yīng)方法得到的二維相掃的自適應(yīng)方向圖?？梢钥闯?，兩種子陣劃分的自適應(yīng)方法都可以達到和全自適應(yīng)方法相同的干擾抑制效果，自適應(yīng)零陷均可以達到－100dB。從圖9(a)可以看出，全陣列自適應(yīng)處理，方向圖形狀良好，旁瓣高度均勻。圖9(b)中均勻劃分子陣的自適應(yīng)方向圖，產(chǎn)生了很高的旁瓣和很多的柵零點，這是由于均勻劃分子陣的相位中心間距大于λ/2，且分布均勻，產(chǎn)生的柵瓣效應(yīng)在某些方向累積的結(jié)果。均勻劃分所產(chǎn)生的柵瓣效應(yīng)可能會導(dǎo)致旁瓣升高和主瓣畸變，因此在實際中的應(yīng)用受到限制。圖9(c)中非均勻劃分的自適應(yīng)方向圖，不但很好的抑制了干擾，同時沒有柵零點，柵瓣水平較低，保證了有用信號的有效接收。兩種方法的俯仰角方向最大旁瓣電平對比如表1所示。從表中可以明顯看出，在11°和－17°兩個俯仰角方向上，旁瓣電平分別下降了10.61dB和1.01dB。

表1 旁瓣電平增益表

全陣元自適應(yīng)沒有柵瓣效應(yīng);均勻劃分子陣級自適應(yīng)由于其柵瓣效應(yīng)明顯，在自適應(yīng)抑制不同角度干擾的時候，可能會導(dǎo)致旁瓣升高和主瓣畸變;非均勻劃分子陣級自適應(yīng)，很好的改善了這種情況，方向圖能夠保持較好的形狀，主瓣不會出現(xiàn)畸變。因此，該非均勻子陣結(jié)構(gòu)不僅改善了均勻劃分子陣方法的柵瓣效應(yīng)，構(gòu)陣結(jié)構(gòu)簡單易行，自適應(yīng)性能和方向圖保持良好。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了平面陣現(xiàn)有幾種子陣結(jié)構(gòu)的特點，給出了均勻子陣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柵瓣的條件，針對其缺點提出了平面陣非均勻子陣的劃分原則，并提出了一種簡單的平面陣非均勻子陣劃分結(jié)構(gòu)。仿真實驗表明，該非均勻劃分結(jié)構(gòu)能夠減輕柵瓣效應(yīng)，其旁瓣電平得到了改善，自適應(yīng)性能保持良好。

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