隨機幅相誤差對線陣方向圖最高副瓣電平的影響研究

高坤張軍袁晶

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

副瓣電平是天線的重要技術(shù)指標之一，較低的副瓣電平可以減弱雜波影響、提高雷達的抗干擾能力。為確保在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中奪取制空權(quán)的優(yōu)勢，未來的雷達系統(tǒng)都力求配備超低副瓣天線，從而促進了超低副瓣天線技術(shù)的發(fā)展。在超低副瓣陣列天線的研制中，不可避免的會引入誤差。陣列誤差可由多種因素引起，如:復(fù)權(quán)向量的幅度和相位誤差，通道頻響不一致性(通道失配)對系統(tǒng)性能的影響，信號方向估計誤差，權(quán)向量的量化誤差，個別陣元出現(xiàn)故障引起的誤差等。無論是電氣誤差還是機械制造誤差最終都可以歸結(jié)為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。一般可以通過提高加工和安裝精度以及試驗測試等手段可以較為容易地對部分系統(tǒng)誤差的影響進行評估和修正;而隨機誤差的產(chǎn)生不可預(yù)見(比如氣候，溫度，加工誤差等原因引入了隨機誤差)，以致難以修正。但不論如何，隨機誤差的引入最終都可以表現(xiàn)為陣列各個單元的幅度誤差和相位誤差，故需要分析幅相誤差對陣列天線副瓣電平的量化影響。使最終的陣列設(shè)計既能夠達到系統(tǒng)性能要求，又節(jié)省生產(chǎn)成本。

J K.Hisao[1]研究了口徑幅、相誤差的方差和與某方位角副瓣電平極限值的關(guān)系，類似的研究還包括文獻[2，3]的內(nèi)容。向廣志[6]進行了超低副瓣陣列天線的公差分析，給出了特定分布隨機波瓣電平與最大幅、相誤差之間的關(guān)系。楊志榮等[7]研究了互耦和隨機幅、相誤差對副瓣電平的影響，定義了天線的誤差敏感系數(shù)，通過誤差敏感系數(shù)來考量互耦和誤差對天線性能的影響程度。作者在前期也做了關(guān)于誤差對副瓣電平的研究[10]，上述這些文獻都是對于某方位角上輻射電平的分析研究，缺乏對陣列最高副瓣電平的統(tǒng)計特性全面、細致的分析與研究。本文在計入隨機誤差的陣列模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)理論分析電場方向圖副瓣區(qū)某方位角上輻射電平的統(tǒng)計特性，之后以副瓣區(qū)各方位角的輻射電平分布來分析整個副瓣區(qū)的最高副瓣電平的統(tǒng)計特性，并結(jié)合計算機仿真，以切比雪夫(chebyshev)線陣為例驗證公式的正確性，將計算得出最高副瓣電平的概率密度曲線與仿真得到了最高副瓣電平的概率密度直方圖進行對比，理論計算曲線與仿真直方圖吻合的較好。

2 陣列誤差模型

設(shè)N元陣列排列在x軸上，陣元的間距為d，陣元上的電流為In，線陣模型如圖1所示。

圖1 N元等間距線陣模型示意圖

其方向性函數(shù)可以表示為:

隨機誤差引入可以等效成各個單元幅度和相位的誤差。計入幅度和相位誤差后，使得其口徑分布發(fā)生變化。

在分析計入誤差后的陣列模型時，首先對誤差進行了幾點假定:

a.輻射元失效情況。

設(shè)fn=1代表陣列中第n個單元正常工作，fn=0則代表單元損壞。令其正常工作的概率為p，則:

由均值定義可求得:

b.彼此陣元相互獨立，誤差互不影響。

c.引入的幅度誤差為 In·Δn，相位誤差為ΔΦn，其滿足均值為 0，方差分別為 σ2Δ和 σ2Φ的高斯分布，即:

3 誤差方向圖的統(tǒng)計特性

3.1 誤差方向圖的均值

將(9)式帶入(7)、(8)式，計算得出:

結(jié)合(6)式，最后可得:

3.2 方向性函數(shù)的統(tǒng)計特性

根據(jù)文獻[8]所述模型，分別計算并化簡可得方向性函數(shù)實部的方差、虛部方差和實部虛部的協(xié)方差σAB，其表達形式為:

在上式中的前兩個表達式中，其第二項含有余弦函數(shù)，其幅度是原方向圖的二次諧波，在方向圖的副瓣區(qū)域里，它們的第二項比第一項小得多。此外，第三個表達式較前兩個表達式相比，可忽略不計，故有:

因此在計入誤差后方向圖的副瓣區(qū)域內(nèi)，A和B組成的聯(lián)合概率密度函數(shù)近似為:

在分析誤差造成的影響時，主要關(guān)注副瓣區(qū)的幅度R的分布情況。

其中R2=A2+B2，做如下假設(shè):

β是副瓣區(qū)某方位角上的輻射電平矢量與其實部之間的夾角，α是該方位角誤差輻射電平矢量的均值與其實部的均值之間的夾角，并結(jié)合(14)式，可得到關(guān)于(R和β)的概率密度函數(shù)ρ(R，β)，如下表達式:

面對“屌絲”流行文化，我們更應(yīng)該采取的態(tài)度是了解、理解、順應(yīng)與發(fā)展。理解這種文化現(xiàn)象所傳達的青年群體的深層需求，順應(yīng)青年群體的這種獨特表達方式，以發(fā)展的視角去更好地回應(yīng)青年群體的需要。

其中μ=β－α，根據(jù)文獻[3]的數(shù)學(xué)計算，給出了對上式的化簡:

3.3 副瓣區(qū)功率電平的概率密度函數(shù)及分布函數(shù)

一般對副瓣的研究中，我們所關(guān)心的是副瓣區(qū)的輻射功率電平，在表述過程中也主要以功率電平的分貝值(dB)來衡量天線性能。所以應(yīng)該對功率電平(dB)的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)進行分析。

線陣模型1:單元數(shù)N=100，設(shè)計最高副瓣電平為－35dB的 Taylor線陣，其中等電平個數(shù) n－=7，經(jīng)過萬次計算機仿真，統(tǒng)計得到無誤差時第一副瓣電平所處方位角上輻射電平的直方圖分布，并和理論計算出的該點副瓣電平的概率密度曲線對比，如圖2所示。

圖2 該方位角輻射電平直方圖和其概率密度曲線對比

功率電平與方向性函數(shù)的幅度值關(guān)系如下:

根據(jù)概率論相關(guān)理論，有:

對上式兩邊關(guān)于q求導(dǎo)，可得到Q的概率密度函數(shù):

將(17)式帶入上式，得到功率電平概率密度函數(shù)的最終表達式:

4 誤差方向圖在某方位角的數(shù)值結(jié)果

為了論證計算結(jié)果的正確性，我們把指定幅、相誤差(σΔ=0.05、σΦ=2°)后的某方位角輻射電平分

藍色直方圖是經(jīng)過計算機萬次仿真之后得到該方位角上輻射電平的概率分布，紅色曲線是經(jīng)過(24)式計算得到的該角度上輻射電平的概率分布曲線?？梢钥闯觯碚撚嬎愫头抡鏀?shù)值結(jié)果比較吻合。

由概率密度曲線可以得到計入指定誤差后第一副瓣電平的分布函數(shù)，如圖3所示。

圖3 該方位角輻射電平的分布函數(shù)

同樣以上述線陣模型為例，令總誤差σ'2=+，計算得出計入不同誤差(σ'=0.02 ～0.09)情況下的分布函數(shù)，并作圖進行對比說明:

5 誤差方向圖最高副瓣電平的分析與研究

第4節(jié)中的分析都是指定方位角求該點的輻射電平的分布，但在對天線副瓣電平的研究中，我們關(guān)心的是最高副瓣的統(tǒng)計規(guī)律，求出最高副瓣的概率密度函數(shù)或分布函數(shù)才是有意義的。

嚴格意義上，若要求出誤差方向圖的最高副瓣的統(tǒng)計規(guī)律，必須對副瓣區(qū)所有點的輻射電平加以分析。

多維隨機變量的分布函數(shù)可以寫成如下表達式:

根據(jù)(25)式可知，若要求得最高副瓣小于q的概率，則必須得到副瓣區(qū)每一個點小于q的概率，最后求所有點的聯(lián)合分布即就是最高副瓣電平的分布。但實際中這樣計算步驟太多，過程比較冗長。所以對此模型進行一個假設(shè)，假設(shè)如下:

陣列方向圖在副瓣區(qū)域內(nèi)，整個副瓣區(qū)有M個峰值(M=N－2，N為陣列單元個數(shù))。用小瓣內(nèi)峰值點輻射電平的概率密度函數(shù)來代替計入誤差后的小瓣內(nèi)最高副瓣的概率密度函數(shù)(如圖5標注所示)。

應(yīng)用MATLAB對此進行如下論證。采用線陣模型2:單元數(shù) N=100，設(shè)計最高副瓣電平為 －35dB的 chebyshev線陣。計入誤差(σΔ=0.03、σΦ=2°)，經(jīng)過10000次計算機仿真，首先對小瓣內(nèi)的峰值點輻射電平的概率密度做一個直方圖，如圖6所示。之后再仿真得到的整個小瓣內(nèi)最高副瓣電平分布的直方圖，如圖7所示。

通過圖(6)和圖(7)可知，兩種情況的概率密度直方圖基本吻合。說明當(dāng)計入的誤差不大時，小瓣內(nèi)峰值點輻射的概率密度分布可以近似代替小瓣最高副瓣的概率密度分布。

應(yīng)用上面的假設(shè)，就可以對整個副瓣區(qū)的最高副瓣電平的分布特性進行分析。對于同一個方向圖中的各個副瓣電平，顯然其數(shù)值不是相互獨立的;但我們研究的并不是同一個方向圖中各個副瓣的統(tǒng)計規(guī)律，而是大量的同一類方向圖中各方位角的副瓣電平的統(tǒng)計，因此各個方位角上的副瓣電平是近似相互獨立的，這樣就可以進行如下分析。

由于各方位角上的副瓣相互獨立，故(25)式可以變形為:

其中Qn(n=1～M)代表第n個副瓣。又有副瓣電平的分布函數(shù)是其概率密度函數(shù)的積分，得:

將(27)帶入(26)就可以求得整個副瓣區(qū)最高副瓣電平的分布函數(shù)。

同樣采用線陣模型2來論證上述分析，計入不同誤差，經(jīng)過10000次計算機仿真。單元數(shù)目為N=100，故在整個副瓣區(qū)有98個副瓣，結(jié)合(27)式，將M=98帶入(26)計算得到最高副瓣電平的分布函數(shù)并微分求得其概率密度函數(shù)，繪制如圖中的藍色曲線。紅色直方圖是計算機仿真得出的最高副瓣電平的概率密度直方圖。

可以看出，不同幅相誤差下，計算結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，論證了分析過程的正確性。

圖8 計入不同誤差后副瓣區(qū)最高副瓣概率密度的仿真值和計算值對比

圖9 副瓣區(qū)最高副瓣概率密度的仿真值和計算值對比

6 結(jié)論

本文在計入隨機誤差的陣列模型的基礎(chǔ)上，運用統(tǒng)計與概率學(xué)理論分析了電場方向圖副瓣區(qū)某方位角上輻射電平的統(tǒng)計特性，之后以副瓣區(qū)各方位角的輻射電平分布來分析整個副瓣區(qū)的最高副瓣電平的統(tǒng)計特性，并結(jié)合計算機仿真驗證公式的正確性。

[1]J.K.Hsiao，Effects of Errors on the Sidelobe Level of a Low－Side－Lobe Array Antenna[R].NRL Report，1981.

[2]J.K.Hsiao，Normalized relationship among errors and sidelobe level[J].Radio Science，1984，19(1):292 －302.

[3]J.Ruze，The effect of aperture errors on the antenna radiation pattern[J].Nuovo Cimento，Suppl.3，1952，364 －380.

[4]J.K.Hsiao.Design of error tolerance of a phase array[J].Electronics Letters，1985，21(19):834－836.

[5]S.O.Rice and the theory of random noise:some personal recollections.IEEE transactions on information theory，1988，34(6):1367－1373.

[6]向廣志.超低副瓣陣列天線公差分析[J].現(xiàn)代雷達，1996，(12):39 －48.

[7]楊志榮，王建武，傅文斌.互耦和隨即幅相誤差對直線陣副瓣電平的影響[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報，2008，22(2):94 －96.

[8]譚繼兆，沈先軍.隨機誤差對點掃陣列天線副瓣和方向性系數(shù)的影響[J].現(xiàn)代電子，2001，(2):25 －32.

[9]汪茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合[M].北京:電子科技大學(xué)出版社，1989，3－19.

[10]高坤，張軍.幅相誤差對線陣副瓣電平的影響[C].成都:ICCT2012.2012，1030 －1034.