一種解決寬帶相控陣?yán)走_(dá)瞬時(shí)帶寬的方法

顧 軍，胡瑾賢，李春來

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

1 概 述

寬帶相控陣天線技術(shù)是當(dāng)前相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，這主要與要求相控陣設(shè)備在多目標(biāo)、多功能情況下完成的許多新任務(wù)密切相關(guān)。寬帶相控陣?yán)走_(dá)采用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和寬帶技術(shù)相結(jié)合，既具有相控陣的優(yōu)勢(shì)又具有寬帶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)目標(biāo)采用具有很大瞬時(shí)帶寬的信號(hào)進(jìn)行跟蹤，可以獲取目標(biāo)更多的有用信息，這對(duì)目標(biāo)分類與識(shí)別，改善多目標(biāo)情況下的分辨率、提高測(cè)量精度、判定目標(biāo)屬性等有重要作用。

普通的相控陣天線實(shí)際上是一個(gè)窄帶系統(tǒng)，信號(hào)頻率是選定的某一固定頻率，實(shí)際使用的信號(hào)含有一定的頻帶寬度，天線方向圖指向會(huì)隨著信號(hào)頻率的改變而改變，如果信號(hào)瞬時(shí)帶寬足夠?qū)?，必須考慮信號(hào)頻率變化對(duì)天線方向圖的影響[1]。因此瞬時(shí)帶寬的提高是有限制的，這種限制反映在2個(gè)方面。

2 瞬時(shí)帶寬的限制因素

(1) 天線波束指向?qū)走_(dá)信號(hào)瞬時(shí)帶寬的限制

天線波束指向隨信號(hào)頻率的改變而在空間改變，這種改變稱為相控陣天線波束在空間的色散現(xiàn)象，它又稱為相控陣天線的“孔徑效應(yīng)”。

平面相控陣天線波束掃描增大時(shí)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)帶寬限制也增大。為了分析簡(jiǎn)單，這里以直線陣為例說明限制規(guī)律。

假定波束的掃描角為θB，允許最大波束的偏移角Δθfmax為波束半功率點(diǎn)寬度的1/4，則有Δθfmax=Δθ1/2(θB)/4，其中Δθ1/2(θB)為掃描至θB時(shí)的波束半功率點(diǎn)寬度，Δθ1/2(θB)=Δθ1/2/cosθB。若信號(hào)的載頻為f0，則不難得到：

Δfmax/f0≤Δθ1/2/(4sinθB)

(1)

(2)

從上式不難看出，最大帶寬隨波束指向變大而縮小，并且和載波頻率無關(guān)。這里針對(duì)一具體實(shí)例研究“孔徑效應(yīng)”對(duì)帶寬的限制，令陣元數(shù)量N=56(2 688=56×48)，陣元間距d=11 mm，則根據(jù)式(2)很容易得到最大帶寬隨波束掃描角變化的情況，如圖1所示。

圖1 考慮孔徑效應(yīng)時(shí)最大允許帶寬隨波束指向的變化

從圖中不難看出，“孔徑效應(yīng)”對(duì)瞬時(shí)帶寬有較大的限制，并且隨著掃描角度變大，這個(gè)限制越來越嚴(yán)重，當(dāng)波束掃描角為60°時(shí)，最大帶寬不到250 MHz。

(2) 天線孔徑渡越時(shí)間對(duì)雷達(dá)信號(hào)帶寬的限制

當(dāng)天線孔徑渡越時(shí)間TA0大于信號(hào)帶寬B的倒數(shù)τ(τ=1/B)時(shí)，對(duì)于發(fā)射陣，陣列兩端天線單元所輻射的信號(hào)將不能同時(shí)到達(dá)θB方向上的目標(biāo)；對(duì)于接收陣列，陣列兩端天線單元所接收到的信號(hào)不能同時(shí)相加。

對(duì)于脈沖寬度為τ、帶寬為B的線性調(diào)頻信號(hào)，各天線單元輻射的信號(hào)在目標(biāo)位置上合成的信號(hào)包絡(luò)將不再是矩形，而是如圖2所示的梯形。各天線單元信號(hào)能同時(shí)到達(dá)目標(biāo)并進(jìn)行合成的時(shí)間小于τ。

圖2 寬度相控陣?yán)走_(dá)孔徑渡越時(shí)間對(duì)調(diào)頻信號(hào)包絡(luò)的影響

為了使得渡越時(shí)間對(duì)壓縮后信號(hào)在時(shí)間上的拉伸現(xiàn)象對(duì)測(cè)距精度的影響及對(duì)信號(hào)能量帶來的損失，通常對(duì)信號(hào)瞬時(shí)帶寬B的要求定為：

(3)

這里仍然以上次仿真參數(shù)為例，說明帶寬對(duì)波束指向的變化情況。

圖3 考慮孔徑渡越時(shí)最大允許帶寬隨波束指向的變化

觀察圖3并對(duì)照?qǐng)D1可知，渡越時(shí)間對(duì)帶寬的限制比孔徑效應(yīng)要大得多，當(dāng)掃描角為60°時(shí)，最大帶寬還不到55 MHz，掃描角為40°時(shí)，帶寬也不超過75 MHz，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足寬帶甚至超寬帶雷達(dá)的需要。

3 子天線陣級(jí)別上的實(shí)時(shí)延遲補(bǔ)償解決帶寬限制問題

從上面的分析可以得出，在寬角掃描的情況下，要獲得大的瞬時(shí)帶寬是不可能的。解決辦法之一，是在陣列各單元或各子陣級(jí)別上采用移相器和實(shí)時(shí)延遲線。

根據(jù)上述分析可知，即使不能對(duì)天線陣的孔徑渡越時(shí)間進(jìn)行完全補(bǔ)償，也可以降低天線波束指向隨著信號(hào)頻率變化而發(fā)生的偏轉(zhuǎn)，也即提高相控陣天線的寬帶特性，因此，為了節(jié)省設(shè)備的數(shù)量，可以考慮只在子天線陣層次上實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲補(bǔ)償。下面討論應(yīng)選多少個(gè)子天線陣或一個(gè)子天線陣內(nèi)允許多少個(gè)天線單元。

首先說明在子天線陣上設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)間延遲線之后的綜合因子方向圖。

(4)

即：

(5)

因此，頻率變化帶來的信號(hào)波束指向變化是很小的，即綜合因子方向圖的相對(duì)偏移是很小的。

若子天線陣劃分是均勻的，線陣被劃分為等間距的m個(gè)子天線陣，子天線陣內(nèi)的孔徑渡越時(shí)間TSA0為：

TSA0=TA0/m

(6)

考慮到子天線陣方向圖寬度大體上等于天線陣束寬Δθ1/2的m倍，因此對(duì)信號(hào)瞬時(shí)帶寬的限制可放寬m倍，即式(2)可改為：

(7)

同樣，由孔徑渡越時(shí)間對(duì)調(diào)頻信號(hào)包絡(luò)的影響所決定的對(duì)瞬時(shí)帶寬的限制也可放寬至m倍，即式

(3)改為：

(8)

由上面的分析不難看出，分子陣后的帶寬限制實(shí)際上是由每個(gè)子陣的規(guī)模決定的，因此也可以首先確定每個(gè)子天線陣的陣元數(shù)n，然后代入式(2)、(3)，得到最大限制帶寬。由于孔徑渡越的限制更加嚴(yán)格，因此這里只需考慮公式(3)即可。

圖4給出幾種不同子陣規(guī)模條件下的最大帶寬。

圖4 3種不同陣元規(guī)模條件下，最大帶寬隨波束指向的變化情況

表1給出幾種不同掃描角條件下的帶寬限制。

表1 3種不同子陣規(guī)模條件下不同掃描角的最大限制帶寬

4 結(jié) 論

由本文仿真分析可知，在子陣級(jí)別上實(shí)現(xiàn)延遲線補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)雖然還有帶寬限制，但是這個(gè)限制已經(jīng)很小了，只要子陣規(guī)模不太大，就能夠滿足大多數(shù)寬帶相控陣?yán)走_(dá)對(duì)帶寬的需求。