邊緣量化切角對陣面接收性能的影響及典型應用分析

楊 蕾，楊 坡，陳永森

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

陣面一般由多通道TR組件構(gòu)成，當天線口面非矩形時，由于列元數(shù)必須為組件數(shù)量的整數(shù)倍，導致陣面口徑邊緣出現(xiàn)量化切角，量化切角導致陣面口徑降低，影響天線口面效率、導致天線副瓣電平抬升和波束寬度展寬。不同通道數(shù)的TR組件會導致不同的天線性能，在實際使用中，必須對量化切角現(xiàn)象進行對比和權衡，綜合考慮技術指標、可行性以及成本等因素，選擇最為合理的TR組件通道數(shù)[1]。

1 模型的建立

1.1 天線方向圖

根據(jù)陣面天線理論，按照如下公式對天線接收方向圖進行分析

AF(θ,φ)=

(1)

其中AF(θ,φ)為天線輻射方向圖，x、y代表單元位置，g(x,y)為幅度加權系數(shù)，λ為信號波長。

1.2 天線口徑增益損失

由于等幅分布天線生成的副瓣電平較高，一般通過幅度加權錐削降低，幅度加權數(shù)值是離孔徑中心距離x，y的函數(shù)，加權孔徑的增益損失

(2)

當g(x)和g(y)采用了低副瓣加權時，孔徑邊緣附近的g(x,y)非常小，對陣面性能的影響較小，因此邊緣量化導致的邊緣切角對陣面的增益損失較小，從而有利于節(jié)省陣面元數(shù)[2]。

1.3 天線副瓣

天線副瓣的理想電平是根據(jù)式(1)的照射函數(shù)決定，實際上，TR組件的邊緣量化作為其中一個因素，會導致副瓣電平的抬升，本文將針對邊緣量化效應分析對應的副瓣電平[3]。

2 性能分析

天線主要參數(shù)如下：

頻率：X波段

陣面尺寸：≤100 mm×60 mm

天線間距按照圓錐角120°范圍內(nèi)無柵瓣設計。

陣面形狀為橢圓形，使用單聯(lián)裝TR時，陣元排列如圖1(a)所示，總元數(shù)為2 012元，單元幅度按照泰勒函數(shù)進行錐削，錐削電平如圖1(b)所示，利用式(2)計算得η0=2.59 dB。不考慮陣元幅相誤差以及單元方向圖的影響，垂直切面的方向圖如圖1(c)所示，垂直主切面方向波束寬度3.87°，最大副瓣電平為-34.5 dB，平均副瓣電平-46.0 dB。

圖1 單通道TR，無邊緣量化切角效應

從利于實現(xiàn)的角度，一般通過多個線陣構(gòu)成橢圓口徑陣面，每個線陣由同一種類的多通道TR組件構(gòu)成。在保證天線性能的基礎上，應該盡量減少線陣種類。目前TR組件較多的采用2通道、4通道和8通道聯(lián)裝形式，導致口徑邊緣量化切角。當采用4通道TR組件時，其陣元排列如圖2(a)所示?？梢钥闯?，經(jīng)量化切角后，陣面規(guī)模縮減至1 936元；幅度加權分布如圖2(b)所示，利用式(2)計算得其增益損失η4=2.67 dB，和單聯(lián)裝TR相比，可節(jié)省3.8%的天線規(guī)模，但接收增益損失很小，只有0.08 dB(1.8%)。

利用式(1)分析陣面二維方向圖如圖2(c)所示，垂直主切面方向圖如圖2(d)所示，其波束寬度3.92°，相對單聯(lián)裝展寬1.3%，最大副瓣電平為-32.5 dB，平均副瓣電平-43.8 dB，副瓣抬高約2 dB。因此通過4聯(lián)裝TR組件的邊緣量化切角分析，可以發(fā)現(xiàn)，在切角后可節(jié)省陣面規(guī)模，同時對天線增益和波束寬度的影響較小。

圖2 4通道TR時陣面特性

當采用2通道和8通道TR組件時，構(gòu)成陣面分別如圖3(a)、(b)所示，陣面元數(shù)分別為1 984元、1 824元，其中2通道TR導致的陣面邊緣量化效應較小，而8通道TR組件會導致較為嚴重的邊緣量化效應，二者垂直切面方向圖如圖3(c)所示，可以看出，8聯(lián)裝TR組件節(jié)省了9%的陣面通道數(shù)，增益損失不大，但導致嚴重的量化切角效應，最大副瓣和平均副瓣均有所抬升。

對比不同聯(lián)數(shù)TR組件下時天線性能，結(jié)果如表1所示，可以看出，如果采用2聯(lián)通道的TR組件，邊緣量化導致的副瓣抬升和波束展寬效應不明顯，同時將陣面元數(shù)降低1.4%，作為對比的8聯(lián)裝組件可以將陣面元數(shù)降低9.3%，但是帶來較大的副瓣抬升。在陣面的可實現(xiàn)性和天線性能之間，采用4聯(lián)裝TR組件可以獲得最佳平衡。

3 結(jié)束語

基于線陣的天線架構(gòu)，可以滿足天線的測試性、維修性設計，同時方便的實現(xiàn)陣面的擴展和裁剪。利用不同通道數(shù)量聯(lián)裝的TR組件會導致邊緣量化切角效應，本文通過理論對其對天線性能的影響進行了分析，在天線性能和可實現(xiàn)性之間進行了權衡。

表1 不同通道數(shù)TR組件時的天線性能對比