低旁瓣級高頻相控陣的設計方法

鐘琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

低旁瓣級高頻相控陣的設計方法

鐘琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

高頻寬帶相控陣是聲多普勒海流剖面儀（ADCP）的核心組成部分。文章著重介紹了在不影響聲源級的情況下，如何設計低旁瓣值的高頻相控陣，對實測結果進行分析，證明所提設計方法是可行的。

低旁瓣級；高頻寬帶；相控陣

高頻相控陣是聲多普勒海流剖面儀(ADCP)的核心組成部分，ADCP是應用于艦船、潛艇和水下航行器的底跟蹤、航速測量、海流測量和自身水下定位的水聲設備。相控陣有體積小、聲源級高的優(yōu)點，可應用于深海、湖泊的檢測和控制，有較好的市場前景和較高的社會效益。

ADCP為了提高測速的測試精度和減少噪聲帶來的干擾，往往要求相控陣能有更高的發(fā)射響應、接收靈敏值和更低的旁瓣級。

1 設計方法

ADCP相控陣通常設計為圓形平面陣，因為這是流體動力學上一個理想的形狀，而且基陣的各個子陣的參數(shù)也是一致的[1]。相控陣是由n級4元陣組成的4n元線列陣擴展成的一個圓面陣，這個圓面陣內的基元是中心對稱分布的。我們利用線列陣組合平面陣的原理來進行布陣[2]。n級ADCP相控陣指向性的函數(shù)為[3]：

高頻相控陣通常采用壓電顆粒來設計基元，這種方法的電路可實現(xiàn)性強且基元之間的耦合性好。聲源級不變、實現(xiàn)低旁瓣級可以通過兩種方法實現(xiàn)：一是通過改變布陣設計來實現(xiàn)，減小基元間距，增加基元數(shù)量；二是通過提高基元之間的一致性和耦合性。當然，這兩種方法在結構和工藝可實現(xiàn)情況下，可同時采取。

2 Matlab仿真

改變布陣間距，使其間距不大于半波長，在機械加工能實現(xiàn)的情況下盡量增大基元的輻射面，可以提高聲源級和降低旁瓣。

通過Matlab仿真，分別計算陣元數(shù)為904、間距為0.707λ和陣元數(shù)為1 296、間距0.6λ的相控指向性圖，兩個基陣的旁瓣值分別為0.16（?15.92 dB）和0.149（?16.54 dB）。可見同樣外形尺寸下，基元間距減小，意味著基元尺寸減小，基元數(shù)量增加，是可以減小旁瓣值。如圖1、圖2所示。

圖1 間距為0.707λ的波束圖

圖2 間距為0.6λ的波束圖

我們再來計算基元不一致性給相控指向性帶來的影響。圖1、圖2是理想狀態(tài)下，不考慮不一致性的結果，圖3是904個基元方案，基元的性能不一致性設計為20%的計算結果，旁瓣值為0.168（?15.5 dB），計算時加入了一個rand隨機函數(shù)。圖4是基元的性能不一致性設計為30%的計算結果，可以看出不僅旁瓣值大了（為0.21，?13.55 dB），而且相控波束的最大值也受到影響，歸一化的結果為0.98，這是說明增加了隨機函數(shù)，聲源級會受到影響。

圖3 基元的性能不一致性為20%的波束圖

圖4 基元的性能不一致性為30%的波束圖

所以高頻基陣的裝配工藝要求很高，但在實際操作中，很難達到如此高的精度，而且基元也不能做到如此大量的篩選來保證一致性。

3 方案實施及結果分析

高頻顆粒型換能器通常會采用灌注層技術來將基元的性能拉平，實現(xiàn)一致性的提高。另外，增加背襯層可以降低換能器的特性阻抗，在與水匹配及拓展帶寬上有很大的優(yōu)勢。為了解增加背襯層帶來的性能影響，制作了幾個同樣尺寸的小樣陣，對其進行測試得到結果見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，裝配工藝對基陣性能是有影響的，1#與3#數(shù)據(jù)差別較大。另外，有背襯層的換能器的效率要高（5#、6#），這個結果是符合理論的，而且選擇合適參數(shù)的背襯層，其發(fā)射響應值也不低（6#）。所以，根據(jù)6#換能器的參數(shù)制作2個有背襯層的大陣，基陣外形尺寸一致。一個是904個基元，間距為0.707λ；一個是1296個基元，間距為0.6λ。兩個基陣的實測相控指向性圖見圖6、圖7。旁瓣分別是0.2（?14 dB）和0.13（?17.72 dB），圖5是以前制作的沒有背襯層的基陣，旁瓣是0.257（?11.8 dB）。由此可以驗證我們采取的兩個方法是有效的。

表1 小樣陣的測試數(shù)據(jù)

圖5 間距為0.707λ基陣無背襯層的實測波束圖

圖6 間距為0.707λ基陣有背襯層的實測波束圖

圖7 間距為0.6λ基陣有背襯層的實測波束圖

另外，從表2中的測試數(shù)據(jù)來看，背襯層確實能使得基陣的聲學性能更好。