分布式孔徑相參合成雷達(dá)聯(lián)合天線增益分析

周寶亮周東明 高紅衛(wèi) 楊 杰

(北京無線電測(cè)量研究所 北京 100039)

分布式孔徑相參合成雷達(dá)聯(lián)合天線增益分析

周寶亮*周東明 高紅衛(wèi) 楊 杰

(北京無線電測(cè)量研究所 北京 100039)

分布式孔徑相參合成雷達(dá)通過多雷達(dá)發(fā)射電磁波空間功率合成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大威力探測(cè)；通過多雷達(dá)空域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角度高精度測(cè)量。分布式孔徑相參合成雷達(dá)具有生存能力強(qiáng)、效費(fèi)比高、角分辨率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該文首先對(duì)無方向性多點(diǎn)輻射源聯(lián)合天線增益進(jìn)行了分析，給出了理論推導(dǎo)和仿真分析；然后建立分布式陣列幾何模型，分別分析了聯(lián)合天線方向圖和聯(lián)合天線增益，得出了聯(lián)合天線增益近似等于單元雷達(dá)數(shù)目與單元雷達(dá)增益乘積的結(jié)論；最后，利用HFSS軟件進(jìn)行了聯(lián)合天線增益仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了聯(lián)合天線增益分析結(jié)論。

分布式；相參合成；聯(lián)合天線；增益分析

1 引言

分布式孔徑相參合成雷達(dá)是一種通過中心控制處理系統(tǒng)控制多個(gè)單元雷達(dá)實(shí)現(xiàn)電磁波空間能量合成的雷達(dá)系統(tǒng)[1,2]，如圖1所示。各單元雷達(dá)按一定的基線準(zhǔn)則與布陣?yán)碚撨M(jìn)行陣列布局，由中心控制

處理系統(tǒng)統(tǒng)一控制調(diào)配，波束指向相同區(qū)域，并在中心控制處理系統(tǒng)控制下進(jìn)行收發(fā)相參工作，實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)全相參，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)距離搜索發(fā)現(xiàn)和高精度跟蹤測(cè)量[3]。分布式孔徑相參合成雷達(dá)技術(shù)是解決平臺(tái)約束與探測(cè)性能矛盾的有效手段，具有生存能力強(qiáng)、效費(fèi)比高、角分辨率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是雷達(dá)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向[4–8]。

本文將在分布式孔徑相參合成雷達(dá)體制下對(duì)聯(lián)合天線增益進(jìn)行分析和討論。首先針對(duì)無方向性點(diǎn)源天線模型進(jìn)行了聯(lián)合天線增益分析，給出了理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果；在此基礎(chǔ)上建立了分布式孔徑線陣模型，分別給出了單元方向圖、聯(lián)合孔徑方向圖和聯(lián)合孔徑增益仿真結(jié)果；最后，借助電磁仿真軟件HFSS，構(gòu)建了兩單元分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)模型，進(jìn)一步分析了聯(lián)合孔徑天線增益，并給出了分析結(jié)論。

圖1 分布式孔徑相參合成雷達(dá)示意圖Fig.1 Distributed aperture coherence-synthetic radar

2 多點(diǎn)源天線聯(lián)合增益分析

方向性系數(shù)D和增益G是表征天線輻射功率集中程度的重要參數(shù)，方向性系數(shù)定義為在總輻射功率相同的情況下，主瓣最大方向上的功率密度與全空間的平均功率密度之比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[9,10]：

增益G等于方向性系數(shù)乘以天線效率[11]，即

天線方向性系數(shù)側(cè)重于天線輻射功率集中程度的理論指標(biāo)，而增益則側(cè)重于天線輻射功率集中程度的工程實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，由于天線效率不會(huì)對(duì)本文的分析結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，本文不對(duì)天線方向性系數(shù)和增益做特殊區(qū)分。

設(shè)分布式孔徑相參合成雷達(dá)由N個(gè)無方向性的相同點(diǎn)輻射源天線組成，各天線單元間距為d，呈直線排布，多點(diǎn)源天線聯(lián)合方向圖表達(dá)式為：

對(duì)式(5)進(jìn)行歸一化處理，得到

為驗(yàn)證多點(diǎn)源天線聯(lián)合增益特征，在滿足式(7)的條件下改變各天線單元間距d和單元雷達(dá)個(gè)數(shù)N，設(shè)雷達(dá)工作頻率為10 GHz，且各單元雷達(dá)等間距排布，仿真結(jié)果如圖2所示。

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著單元雷達(dá)間距的增加，多點(diǎn)源天線聯(lián)合增益從劇烈震蕩慢慢趨于穩(wěn)定，且多點(diǎn)源天線聯(lián)合增益的震蕩強(qiáng)度隨著單元雷達(dá)數(shù)目的增多而增強(qiáng)，但最終趨于的穩(wěn)定值與單元雷達(dá)數(shù)目相等。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，單元雷達(dá)間距通常在米量級(jí)以上，即X波段大于30倍波長(zhǎng)，C波段大于15倍波長(zhǎng)，此時(shí)，聯(lián)合天線增益趨于穩(wěn)定值，受單元雷達(dá)間距影響較小，與單元雷達(dá)數(shù)目和單元雷達(dá)天線增益有關(guān)，近似表達(dá)式為：

圖2 多點(diǎn)源天線聯(lián)合增益仿真結(jié)果Fig.2 Multipoint source antenna joint gain simulation results

其中，Nr為單元雷達(dá)個(gè)數(shù)，G0為單元雷達(dá)天線增益。

3 分布式陣列聯(lián)合天線增益分析

3.1 聯(lián)合天線方向圖

3.1.1 分布式陣列幾何關(guān)系 陣列天線的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，最基本的形式是1維線陣，以兩單元雷達(dá)為例，對(duì)聯(lián)合天線方向圖及聯(lián)合天線增益進(jìn)行分析。如圖3所示為分布式陣列天線幾何關(guān)系，單元雷達(dá)間距為D1，單元雷達(dá)陣元個(gè)數(shù)為N，陣元間距為d，方位掃描角為，波束指向角為。

3.1.2 單元雷達(dá)方向圖 單元雷達(dá)線陣天線方向圖函數(shù)表達(dá)式為：

單元雷達(dá)方向圖仿真結(jié)果如圖4所示，仿真參數(shù)為：陣元個(gè)數(shù)為25個(gè)，陣元間距為半波長(zhǎng)，發(fā)射信號(hào)載頻為10 GHz。

3.1.3 聯(lián)合天線方向圖 以單元雷達(dá)1為基準(zhǔn)，陣元編號(hào)為，單元雷達(dá)2陣元編號(hào)為，兩單元雷達(dá)聯(lián)合天線方向圖為：

當(dāng)分布式孔徑相參合成雷達(dá)由多部單元雷達(dá)組成時(shí)，根據(jù)方向圖相乘原理，分布式陣列聯(lián)合天線方向圖可表示為陣因子與單元雷達(dá)天線方向圖的乘積形式，表達(dá)式為：

圖3 分布式陣列天線幾何關(guān)系Fig.3 Distributed array antenna geometric relationship

圖4 單元雷達(dá)天線方向圖Fig.4 Unit radar antenna pattern

聯(lián)合天線方向圖仿真結(jié)果如圖5所示，單元雷達(dá)陣元數(shù)為25，圖5(a)為雷達(dá)間距D1=10倍波長(zhǎng)時(shí)的聯(lián)合天線方向圖，圖5(b)為雷達(dá)間距D1=50倍波長(zhǎng)時(shí)的聯(lián)合天線方向圖，通過圖形可以發(fā)現(xiàn)，隨著雷達(dá)間距D1的不斷增加，聯(lián)合天線方向圖的柵瓣也將越來越多。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證聯(lián)合天線方向圖柵瓣情況，利用C波段相控陣體制分布式孔徑相參合成雷達(dá)原理樣機(jī)進(jìn)行了變基線聯(lián)合天線方向圖測(cè)試試驗(yàn)，雷達(dá)原理樣機(jī)實(shí)物如圖6所示。

試驗(yàn)中改變兩個(gè)天線相位中心的基線長(zhǎng)度，測(cè)試不同基線長(zhǎng)度下的聯(lián)合天線方向圖。如圖7和圖8所示，分別給出了基線間距為1.229 m和2.116 m條件下聯(lián)合天線方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，柵瓣位置基本吻合，柵瓣數(shù)目相同，且基線距離越大，柵瓣數(shù)量越多，柵瓣間距越小。

柵瓣是否會(huì)對(duì)雷達(dá)的聯(lián)合天線增益產(chǎn)生影響，多單元雷達(dá)聯(lián)合增益是否會(huì)隨單元雷達(dá)間距的變化而變化，3.2節(jié)將做進(jìn)一步分析。

圖6 雷達(dá)原理樣機(jī)Fig.6 Radar prototype

圖7 聯(lián)合天線方向圖(D1=1.229 m)Fig.7 Joint antenna pattern (D1=1.229 m)

圖8 聯(lián)合天線方向圖(D1=2.116 m)Fig.8 Joint antenna pattern (D1=2.116 m)

3.2 聯(lián)合天線增益

根據(jù)圖3建立的分布式陣列天線幾何模型，可計(jì)算出兩單元雷達(dá)線陣聯(lián)合天線方向圖為：

對(duì)聯(lián)合天線方向圖進(jìn)行歸一化處理，有

將式(15)代入式(7)即可獲得兩單元雷達(dá)的聯(lián)合天線增益，但由于聯(lián)合天線增益表達(dá)式的積分項(xiàng)求解十分復(fù)雜，因此，本文采用數(shù)值積分法進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖9所示。

通過圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單元雷達(dá)間距大于一定波長(zhǎng)倍數(shù)時(shí)，聯(lián)合天線增益趨于穩(wěn)定值，近似為單元雷達(dá)增益的2倍，此結(jié)果與點(diǎn)源天線聯(lián)合增益仿真結(jié)果相符，從側(cè)面也反映出柵瓣的產(chǎn)生不會(huì)影響聯(lián)合天線的增益，具體原因分析為，雖然柵瓣的出現(xiàn)消耗了雷達(dá)輻射的功率，但雷達(dá)主瓣內(nèi)的輻射電磁波功率密度是增加的，增加倍數(shù)近似等于單元雷達(dá)個(gè)數(shù)。

3.3 基于HFSS軟件的聯(lián)合天線增益仿真

本節(jié)將使用HFSS仿真軟件對(duì)兩單元分布式孔徑相參合成雷達(dá)聯(lián)合天線增益進(jìn)行仿真分析。

3.3.1 單元雷達(dá)模型 單元雷達(dá)為一個(gè)4×4陣元的面陣，工作頻段為5 GHz，陣元間距為半波長(zhǎng)，陣面口徑為122 mm×144 mm，如圖10(a)所示。單元雷達(dá)天線方向圖和增益如圖10(b)所示，單元雷達(dá)天線增益為17.9731 dB。

圖9 兩單元雷達(dá)聯(lián)合天線增益Fig.9 Two unit radar joint antenna gain

圖10 單元雷達(dá)仿真模型及天線方向圖Fig.10 Unit radar simulation model and antenna pattern

3.3.2 兩單元分布式雷達(dá)模型 利用HFSS仿真軟件構(gòu)建了兩單元分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)，單元雷達(dá)間距可調(diào)，如圖11所示，當(dāng)單元雷達(dá)間距為60 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的天線方向圖如圖12所示，兩單元雷達(dá)聯(lián)合天線增益為21.064 dB，較單元雷達(dá)天線增益增加了3.09 dB，約為單元雷達(dá)天線增益的2倍(3.01 dB)。

為了從不同雷達(dá)間距分析聯(lián)合天線增益情況，圖13分別給出了600 mm和3000 mm兩種典型間距聯(lián)合天線方向圖，增益分別為21.0613 dB和21.0655 dB，較單元雷達(dá)天線增益均增加了3 dB。

如圖14所示為分布式孔徑相參合成雷達(dá)不同間距條件下聯(lián)合天線增益統(tǒng)計(jì)圖，通過圖形可以發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)曲線較為平坦，聯(lián)合天線增益均值為21.12 dB，相比于單元天線增益17.9731 dB增加了約3 dB，即為單元雷達(dá)天線增益的2倍，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了聯(lián)合天線增益受單元雷達(dá)間距的影響較小，與單元雷達(dá)個(gè)數(shù)和單元雷達(dá)增益有關(guān)的結(jié)論。

圖11 分布式孔徑相參合成雷達(dá)仿真模型Fig.11 Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar simulation model

圖12 聯(lián)合天線方向圖Fig.12 Joint antenna pattern

4 結(jié)束語

文章首先對(duì)多單元點(diǎn)輻射源天線的聯(lián)合增益進(jìn)行了分析，在單元雷達(dá)間距大于一定波長(zhǎng)倍數(shù)時(shí)，由多個(gè)無方向性的點(diǎn)輻射源天線構(gòu)成的分布式孔徑相參合成雷達(dá)的聯(lián)合天線增益趨于穩(wěn)定，只與單元雷達(dá)數(shù)目和單元雷達(dá)增益有關(guān)；然后對(duì)兩單元線陣天線的聯(lián)合增益進(jìn)行了分析，討論柵瓣對(duì)聯(lián)合增益的影響；最后，利用HFSS軟件仿真分析了兩單元陣列雷達(dá)的聯(lián)合天線增益，進(jìn)一步驗(yàn)證了聯(lián)合天線增益近似等于單元雷達(dá)數(shù)目與單元雷達(dá)增益乘積的結(jié)論。

圖13 聯(lián)合天線方向圖Fig.13 Joint antenna pattern

圖14 聯(lián)合天線增益統(tǒng)計(jì)圖Fig.14 Joint antenna gain statistics

[1]魯耀兵,高紅衛(wèi),周寶亮.分布式孔徑相參合成雷達(dá)技術(shù)[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2017,6(1): 55–64.Lu Yaobing,Gao Hongwei,and Zhou Baoliang.Distributed aperture coherence-synthetic radar technology[J].Journal of Radars,2017,6(1): 55–64.

[2]魯耀兵,張履謙,周蔭清,等.分布式陣列相參合成雷達(dá)技術(shù)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2013,35(8): 1657–1662.Lu Yao-bing,Zhang Lv-qian,Zhou Yin-qing,et al..Study on distributed aperture coherence-synthetic radar technology[J].Systems Engineering and Electronics,2013,35(8): 1657–1662.DOI: 10.3969/j.issn.1001-506X.2013.08.12.

[3]Coutts S,Cuomo K,McHarg J,et al..Distributed coherentaperture measurements for next generation BMD radar[C].Proceedings of the Fourth IEEE Workshop on Sensor Array and Multichannel Processing,Waltham,MA,2006: 390–393.

[4]Brookner E.Phased-array and radar breakthroughs[C].Proceedings of 2007 IEEE Radar Conference,Boston,MA,USA,2007: 37–42.

[5]Brookner E.Phased-array and radar astounding breakthroughs—An update[C].Proceedings of IEEE Radar Conference,Rome,Italy,2008: 1–6.

[6]曹哲,柴振海,高紅衛(wèi),等.分布式陣列相參合成雷達(dá)技術(shù)研究與試驗(yàn)[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2012,40(4): 1–11.Cao Zhe,Chai Zhen-hai,Gao Hong-wei,et al..Technology and tests on distributed aperture coherence-synthesizing radar[J].Modern Defence Technology,2012,40(4): 1–11.

[7]高紅衛(wèi),曹哲,魯耀兵.分布式陣列相參合成雷達(dá)基本研究與原理驗(yàn)證[C].第十二屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,武漢,中國,2012: 129–134.Gao Hong-wei,Cao Zhe,and Lu Yao-bing.Basic study and principle validate of distributed aperture coherencesynthetic radar[C].Proceedings of the 12th Chinese Radar Conference,Wuhan,China,2012: 129–134.

[8]Gao Hong-wei and Zhou Bao-liang.Performance analysis and experimental study on distributed aperture coherencesynthetic radar[C].2016 CIE Radar Conference,Guangzhou,China,2016.

[9]Stutzman W L and Thiele G A.Antenna Theory and Design[M].New York: John Wiley & Sons,1981: 141–145.

[10]王建,鄭一農(nóng),何子遠(yuǎn).陣列天線理論與工程應(yīng)用[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2015: 15–18.Wang Jian,Zheng Yi-nong,and He Zi-yuan.Antenna Array Theory and Engineering Applications[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2015: 15–18.

[11]張祖稷,金林,束咸榮.雷達(dá)天線技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2005: 20–21.Zhang Zu-ji,Jin Lin,and Shu Xian-rong.Radar Antenna Technology[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2005: 20–21.

高紅衛(wèi)(1980–)，男，博士，研究員，北京無線電測(cè)量研究所總體部副主任，從事雷達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與信號(hào)處理。

E-mail: hwg_ycc@126.com

楊 杰(1985–)，男，工學(xué)碩士，工程師，北京無線電測(cè)量研究所天線專業(yè)研究室，主要研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)天線設(shè)計(jì)。

E-mail: muyiln@163.com

Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar Joint Antenna Gain Analysis

Zhou Baoliang Zhou Dongming Gao Hongwei Yang Jie
(Beijing Institute of Radio Measurement,Beijing100039,China)

By the synthesis of multi-radar electromagnetic wave space energy,Distributed Aperture Coherencesynthetic Radar (DACR) achieves long-range power detection via multi-radar airspace expansion to realize high-precision target angle measurement.DACR has the advantages of strong survival ability,a high costeffectiveness ratio,high angular accuracy,strong expandability,and easy realization.In this article,we analyze the joint antenna gain of a non-directional multi-point source and,given the theoretical derivation and simulation analysis,we establish a distributed-array-antenna geometric model,analyze the joint antenna pattern and gain,respectively,and determine that the joint antenna gain is approximately equal to the unit radar number and the unit radar gain product.Lastly,we perform a joint antenna gain simulation using HFSS software to further verify the joint antenna gain results.

Distributed; Coherence-synthetic; Joint antenna; Gain analysis

The National Ministries Foundation

TN957.51

A

2095-283X(2017)04-0332-08

10.12000/JR17055

周寶亮,周東明,高紅衛(wèi),等.分布式孔徑相參合成雷達(dá)聯(lián)合天線增益分析[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2017,6(4):332–339.

10.12000/JR17055.

Reference format:Zhou Baoliang,Zhou Dongming,Gao Hongwei,et al..Distributed aperture coherencesynthetic radar joint antenna gain analysis[J].Journal of Radars,2017,6(4): 332–339.DOI: 10.12000/JR17055.

周寶亮(1985–)，男，博士研究生，工程師，北京無線電測(cè)量研究所總體部/研發(fā)中心，主要研究方向?yàn)榉植际较鄥⒑铣衫走_(dá)總體技術(shù)研究。

E-mail: zbluestc@126.com

周東明(1985–)，男，工學(xué)碩士，工程師，北京無線電測(cè)量研究所總體部/研發(fā)中心，主要研究方向?yàn)榉植际较鄥⒑铣衫走_(dá)總體技術(shù)研究。

E-mail: zhoudongming_23@163.com

2017-05-27；改回日期：2017-06-18；網(wǎng)絡(luò)出版：2017-07-31

*通信作者： 周寶亮 zbluestc@126.com

國家部委基金