一種有源相控陣體制照射天線凹口補償方式

張繼浩，李麗嫻，陳磊磊，吳文友，黃 一

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

利用平面二維相掃有源相控陣體制照射天線，可以靈活實現(xiàn)多目標照射、間斷照射，但是由于陣列天線照射波束由若干天線單元在空間通過矢量疊加形成，矢量同相疊加形成照射天線主波束，矢量反向疊加形成照射天線凹口[1]，在半主動尋的體制的導彈武器系統(tǒng)中[2-3]，導彈飛行的后半程需要照射天線的副瓣提供穩(wěn)定指令信號，如果在某一空域，照射天線副瓣的凹口對準了導引頭天線，這將導致導引頭收到的指令信號能量過低，導彈將失去指令信號，從而失鎖，嚴重情況下導彈會失去目標，導致任務(wù)失敗[4]。

對于常規(guī)的固定波束照射天線，由于波束及凹口區(qū)域是固定不變的，可用一可調(diào)相位固定寬波束輔助天線與主天線同時照射，補償天線副瓣區(qū)域內(nèi)凹口，但由于相控陣體制照射天線在工作時，天線波束時刻掃描切換，波束是可變不固定的，需要在不同的波束位置補償天線副瓣區(qū)域內(nèi)的凹口，用這種可調(diào)相位固定寬波束輔助天線不能補償掃描后的照射天線的凹口，因此這種常規(guī)的補償方式對相控陣體制照射天線將不再適合。

本文致力于解決相控陣照射天線的凹口補償問題，從陣列天線的理論出發(fā)，提出了一種相控陣照射天線凹口補償?shù)墓こ虒崿F(xiàn)方式，結(jié)合計算機仿真，給出了補償前后的比較方向圖及掃描后的補償效果，通過與外場實測方向圖的比較，表明該補償方式能有效解決相控陣體制照射天線的凹口問題 。

1 相控陣照射天線凹口形成原理

相控陣照射天線為二維相位掃描的平面有源相控陣天線，可以看成2個線性相控陣天線的組合，即方位向一維線性相控陣天線與俯仰向一維線性相控陣天線組成，因此，分析二維相位掃描的平面有源相控陣天線可以從分析一維線性相控陣天線原理著手。設(shè)一維線性天線陣由N個天線單元構(gòu)成，等間距排布，單元間距為d，則天線的幅度方向圖為[5]：

(1)

(2)

式中，p=±1,±2,±3,…,表示凹口(零點)位置的序號；θB為天線掃描角。第p個凹口(零點)線陣出現(xiàn)凹口(即零點)的位置θP0，根據(jù)式(2)，表示為：

(3)

(4)

由上述分析看出，一個由N個單元構(gòu)成的直線陣列,形成的方向圖，在±90°的觀察角度內(nèi)，會有N個固定角度的凹口，對于一個M×N單元的二維平面相控陣天線，形成的固定角度的波瓣凹口有M+N個。

2 平面相控陣照射天線方向圖仿真

對于一個三角排列的平面相控陣天線陣面如圖1所示。

圖1 陣列布局

根據(jù)陣面排列，可以計算二維平面相控陣天線的方向圖[6]，計算式為:

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(5)

k(dr2cosθsinφ-α)]。

(6)

為了在(θB、φB)方向上獲得波束最大值，α、β應(yīng)為：

(7)

一個方位面28個天線單元，俯仰面18個天線單元，dx為0.5λ，dy為0.65λ的陣面，陣面方位/俯仰面的仿真方向圖及所需滿足的功率電平要求曲線如圖2所示。由圖2可看出，方位/俯仰方向圖上存在凹口，即仿真方向圖上功率電平小于功率電平要求曲線的區(qū)域，這就會導致導彈在飛臨這些空域時，導彈導引頭天線接收到照射天線發(fā)射的指令信號功率低，引起導彈失去指令信號，從而失鎖，嚴重情況下導彈會失去目標，導致任務(wù)失敗。

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖2 仿真方向圖及相應(yīng)的功率指標要求

3 凹口的解決方法

相控陣照射天線的凹口是由天線單元在空間通過矢量反向疊加形成，可以考慮增加一個輔助相控陣照射天線[7]，通過給予不一致的初相位值，改變天線單元在遠場的矢量迭加，從而消除陣面方位/俯仰方向圖在±20°內(nèi)存在的凹口。為保證雷達整體陣面的一體性，輔助天線選用主天線中的部分單元構(gòu)成，隨主天線同步參與二維電掃。由于輔助天線既要補償主天線在空域±20°范圍內(nèi)的凹口，又不能影響主天線的主波束性能，因此，將輔助天線的3dB波束寬度設(shè)計成25°較為合適，根據(jù)相控陣理論可綜合出輔助天線的規(guī)模為方位面4個天線單元，俯仰面4個天線單元，共計16個單元構(gòu)成，如圖3所示，空心單元為相控陣照射天線主陣面單元，實心單元為相控陣照射天線輔助單元[8]。

圖3 帶有輔助天線的相控陣照射天線

主天線和輔助天線單獨工作時在方位/俯仰面上的方向圖如圖4所示。由圖4可得到，在方位/俯仰方向圖±20°的區(qū)域內(nèi)，當主天線的副瓣能量高于輔助天線能量10dB以上時，這些區(qū)域的功率分布由主照射陣面決定；而當輔助天線能量高于主天線能量10dB以上時，這些區(qū)域的功率分布由輔助照射陣面所決定。

當2個天線置于一個坐標系下共同工作時，方向圖的計算式為[9]：

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(8)

F(θ,φ)=F1(θ,φ)+F2(θ,φ)，

(9)

(10)

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖4 主天線和輔助天線的方向圖

式中，F(xiàn)1(θ,φ)為輔助照射相控陣天線的陣面方向圖函數(shù)；F2(θ,φ)為主照射相控陣天線的陣面方向圖函數(shù)；φik為主、輔2個天線的初始相位差。對于同時放置于一個坐標系下的2個天線，最終的合成方向圖是由2個天線輻射的電場矢量在空域互相干涉疊加的結(jié)果，且主要由2個天線的初始相位差所決定。取45°、90°和180°三個典型的初始相位差，分別進行方向圖計算，如圖5所示。由圖5可看出，當2個天線的初始相位差為180°時，合成方向圖的凹口補償效果最佳。

天線凹口補償前后的方向圖及相應(yīng)的功率電平要求曲線如圖6所示。由圖6可看出，方位/俯仰方向圖在±20°的范圍內(nèi)，補償后方向圖的功率電平值均大于相應(yīng)的功率電平要求，有效提高副瓣要求區(qū)域凹口能量5～10dB。

照射相控陣在掃描30°后，陣面補償前后的對比方向如圖7所示。由圖7可以看出，隨著陣面的掃描，輔助天線仍具有良好的補償效果，在方位/俯仰方向圖±20°的范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)凹口。圖8給出了陣面仿真/實測方向圖及相應(yīng)的功率電平指標，不難看出，實測與仿真結(jié)果相一致，在方位/俯仰方向圖±20°的范圍內(nèi)，沒有凹口。

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖5 不同初始相位差對應(yīng)的合成方向圖

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖6 補償前后方向圖及相應(yīng)的功率電平要求

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖7 掃描30°后補償前后方向圖比較

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖8 實測方向圖

4 結(jié)束語

相控陣照射天線由于天線波束不停地電掃描，為了給半主動尋的導引頭提供穩(wěn)定指令信號，這就需要波束掃描到任何空域位置，都需對波束的凹口進行補償。本文給出了一種平面二維相掃有源相控陣體制照射天線凹口補償方法，利用陣面內(nèi)部16個天線單元作為輔助天線，同時利用軟件對輔助天線單元的相位控制來補償主天線副瓣區(qū)域內(nèi)的凹口，主天線不增加硬件設(shè)備，成本低，軟件復雜度低，簡單易行，適于工程運用。

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