相控陣天線間收發(fā)隔離影響分析

劉攀龍

（解放軍91404部隊，秦皇島066001）

0 引 言

相控陣天線作為一種電子掃描天線（ESA），通過改變各輻射單元的幅度、相位來實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間中的轉(zhuǎn)動［1］。

相比傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線，相控陣天線具有掃描速度快、目標(biāo)數(shù)據(jù)率高、多目標(biāo)跟蹤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高武器系統(tǒng)的技術(shù)性能和作戰(zhàn)性能，是當(dāng)代信息戰(zhàn)的重要信息來源，并擔(dān)負(fù)著警戒、跟蹤、火控、導(dǎo)航、艦載機(jī)的引導(dǎo)以及氣象探測等多項任務(wù)［2］。

正因為相控陣天線的諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來的系統(tǒng)中往往會集成多個相控陣面，各個陣面的工作頻段難免有重疊。當(dāng)2個陣面中的一個處于發(fā)射態(tài)而另一個處于接收態(tài)時，發(fā)射態(tài)的陣列會有一部分能量以近場天線耦合等方式漏進(jìn)處于接收態(tài)的陣面，這一部分能量如果超過一定范圍，則會使接收陣的性能惡化，帶來電磁兼容問題。對陣面間收發(fā)隔離度的研究有助于多天線系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計。

1 隔離度計算的一般形式

設(shè)傳遞給發(fā)射陣面的功率為Pt，漏進(jìn)接收陣面接收機(jī)輸入端的功率為Pr，則定義收發(fā)陣面的隔離度為：

在距離陣列d處的單位面積功率為：

式中：Prad為輻射功率；Gt為發(fā)射陣列增益。

則對應(yīng)的均方根電場強(qiáng)度可表示為：

由上式可推導(dǎo)出用電場強(qiáng)度表示的傳遞給發(fā)射陣面的功率：

設(shè)接收功率密度為Prec，則進(jìn)入接收陣列的功率可表示為：

式中：Ae為陣列天線的有效接收面積；G為接收陣列增益。

用接收場強(qiáng)Erec來表示Prec：

此時，進(jìn)入接收陣列的功率可寫成：

式中：Gr為接收陣增益；B為接收陣天線與發(fā)射陣天線的匹配度。

由以上公式可得收發(fā)隔離度為：

對于自由空間傳播，Erec＝Efs，若在2個陣面間采用空間隔離裝置，則表面屏蔽作用的影響系數(shù)為：

因此，隔離度用分貝表示可改為如下形式：

式中：第1項表示的是電磁波自由空間傳播時的空間損耗，即自由空間隔離度，計算結(jié)果如表1所示。

表1 電磁傳播隔離計算表

2 陣列間隔離度的仿真分析

以收發(fā)陣列均是16×16為例，通過分析近場感應(yīng)電動勢可以計算出不同頻率、不同距離、不同掃描角度的發(fā)射近區(qū)等效增益。

設(shè)發(fā)射面A與接收面B的中心距離為d，A面相對于B面旋轉(zhuǎn)一個θ角，如圖1所示。

A面任意一個單元（m，n）對應(yīng)的電流源在B面任意一個單元（p，q）處產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可表示為：

式中：r為2個單元之間的間距；α為r與y軸之間的夾角。

對m，n求和即可得到A面所有陣元在（p，q）處產(chǎn)生的電場，將B面所有子元的電場疊加即可得到A面對應(yīng)B面所產(chǎn)生的總場強(qiáng)。用此方法計算的近區(qū)等效增益如表2所示。

設(shè)在收發(fā)陣列之間不加空間隔離和吸波材料，則隔離系數(shù)C＝0。運(yùn)用公式可計算出收發(fā)陣面間的隔離度，如表3所示。

圖1 收發(fā)陣列天線示意圖

表2 發(fā)射近區(qū)等效增益

表3 發(fā)射近區(qū)等效增益

3 結(jié)束語

為確保接收陣面能夠正常工作，發(fā)射陣面發(fā)射功率漏到接收機(jī)輸入端的功率，應(yīng)小于接收陣面接收機(jī)能夠正常工作的信噪比。設(shè)接收機(jī)可能收到的最小信號功率為Pmin，接收機(jī)輸入端的噪聲功率為PM，則接收機(jī)實(shí)際工作的信噪比為：

若發(fā)射信號耦合到接收機(jī)輸人端的功率Pr剛好能使接收機(jī)正常工作，則這樣隔離度可表示為：

上式表明：系統(tǒng)的靈敏度越高，對陣列間的隔離度要求也越高；同時為了彌補(bǔ)系統(tǒng)隔離度的不足，往往需要在發(fā)射陣與接收陣同時工作的情況下人為降低系統(tǒng)的接收靈敏度。

考慮到系統(tǒng)干擾雜散指標(biāo)，可以計算出干擾陣面與接收陣面隔離度的指標(biāo)要求，這里以干擾雜散指標(biāo)－40dBc為例。

表4 干擾信號與雷達(dá)接收的隔離度

從計算結(jié)果可見，通常的收發(fā)陣面布置方法并不能滿足同時接收與發(fā)射的需求。需要從如下幾點(diǎn)進(jìn)一步深入研究并采取相應(yīng)措施。

（1）優(yōu)化收發(fā)陣面之間的距離，可增加電磁波傳播的衰減系數(shù)；

（2）合理設(shè)計收發(fā)陣面規(guī)模，可優(yōu)化收發(fā)陣列的耦合；

（3）對發(fā)射陣進(jìn)行功率管理，優(yōu)化發(fā)射資源，可以在雷達(dá)工作時采用收發(fā)分時方式；

（4）對發(fā)射陣的發(fā)射頻率與接收陣的接收頻率進(jìn)行實(shí)時管理，在頻率上錯開；

（5）在發(fā)射陣與接收陣之間采用吸波材料或者擋板的形式進(jìn)行物理隔離；

（6）對發(fā)射陣及接收陣的波束進(jìn)行加權(quán)，控制副瓣電平；

（7）對發(fā)射與接收的極化進(jìn)行實(shí)時控制；

（8）從信號產(chǎn)生電路、濾波電路、驅(qū)動放大電路等方面提高器件的雜散指標(biāo)，合理分配鏈路增益，提高輻射信號頻譜純度；

（9）綜合采取自適應(yīng)干擾對消方法，以及近區(qū)等效方向圖置零方法，減小收發(fā)天線的等效副瓣電平。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2］葉顯武.艦載相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012（6）：5－8.

［3］John D Krabs.天 線 ［M］.北 京：電 子 工 業(yè) 出 版社，2012.

［4］石長生.談天線隔離度［J］.電子科技導(dǎo)報，1997（11）：16－18.

［5］何克強(qiáng).雙反射面天線近場等效增益快速計算［J］.微波學(xué)報，2014（S2）：137－140.