利用稀布設(shè)計(jì)低成本單脈沖天線

高　初　李　剛

摘 要：根據(jù)某單脈沖天線要求，設(shè)計(jì)了一個稀布陣相控陣天線。通過對圓口徑滿陣陣面均勻抽取，減小了約30%的單元。在此基礎(chǔ)上對剩余單元進(jìn)行了30 dB的Taylor加權(quán)和30 dB的Bayliss加權(quán),分別實(shí)現(xiàn)了和波束和方位面及俯仰面差波束，并比較了稀布陣與滿陣的和差波束的方向圖。仿真結(jié)果顯示,該稀布陣符合設(shè)計(jì)要求，其和差波束的副瓣均高于滿陣副瓣約5 dB，和波束主瓣3 dB波束寬度接近于滿陣指標(biāo)。該方法有效地降低了單脈沖相控陣天線的成本。

關(guān)鍵詞：單脈沖天線；稀布陣；Taylor加權(quán)；Bayliss加權(quán)

中圖分類號：TN82文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-087-03

Design of Monopulse Antenna of Low Cost by Thinning

GAO Chu,LI Gang

(38th Research Institute of China Electronic Technology Corporation,Hefei,230031,China)

Abstract：A phased array antenna implemented by thinning is presented according to a specific demand of a monopulse antenna.About 30% elements are saved by an evenly drew out from a circular aperture array.Then 30 dB Taylor weighting and 30 dB Bayliss weighting are applied to realize sum beam and difference beams in azimuth plane and elevation plane.And radiation patterns of sum beam and difference beams of thinned array and full array are compared.The simulation results show thinned array satisfies the demand.The maximum sidelobe levels of sum beam and difference beams are about 5 dB higher than that of full array.And the beamwidth of sum beam is close to that of full array.Thus thinning reduces the cost of monopulse phased array antenna effectively.

Keywords：monopulse antenna;thinned array;Taylor weighting;Bayliss weighting

0 引 言

單脈沖雷達(dá)天線是一種同時(shí)多波束天線。它在單次脈沖回波中檢測比較角誤差所需的全部波束。其中相控陣單脈沖雷達(dá)天線的掃描速度快，可實(shí)現(xiàn)對大空域多目標(biāo)的跟蹤［1］。為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的良好跟蹤，往往要求較高的方向性和角分辨率，然而方向性與其口徑成正比，為了滿足不產(chǎn)生柵瓣的條件，輻射單元數(shù)也必須成比例地增加。大型相控陣不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價(jià)高昂。這嚴(yán)重限制了相控陣天線的應(yīng)用［2］。

稀布陣的主要優(yōu)點(diǎn)是它的波束寬度取決于其總口徑的大小，而與輻射單元數(shù)無關(guān)。因此，對于相同的波束寬度要求，它所用的單元數(shù)可比滿陣時(shí)少得多，因此其成本也大大降低。稀布陣的主要缺點(diǎn)是發(fā)射機(jī)的功率利用率很低，與滿陣相比，主波束僅包含了總功率的一部分，其余部分則進(jìn)入了隨機(jī)副瓣［3］。P.J.Kahrilas利用稀布陣設(shè)計(jì)了一個空饋單脈沖天線，在相同角分辨率的要求下，實(shí)現(xiàn)了有源單元數(shù)目的最小化［4］。稀布的方法可分為兩類：

統(tǒng)計(jì)方法抽取 首先確定布陣采用的柵格，再在此基礎(chǔ)上根據(jù)特定的概率密度函數(shù)，在部分柵格位置上放置輻射單元［5，6］。在此基礎(chǔ)上，還可以采用優(yōu)化算法進(jìn)一步降低稀布陣的副瓣［7］。

確定性密度錐削 基于均勻加權(quán)的非等間距陣與幅度加權(quán)等間距陣的等效性，采用的單元柵格間距不等［8，9］。對于單脈沖天線存在和差波束兩種加權(quán)方法，而確定性密度錐削法只能滿足其中一種加權(quán)的要求，而且非等間距陣的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度較大。由此可知，統(tǒng)計(jì)抽取方法在相控陣單脈沖天線的稀布設(shè)計(jì)中更有優(yōu)勢。

針對某單脈沖相控陣天線的設(shè)計(jì)要求，在保證波束寬度的情況下，采用均勻抽取方法設(shè)計(jì)了一個稀布陣，僅保留了對應(yīng)滿陣的70％的單元。通過仿真，比較了稀布陣與滿陣在相同加權(quán)下的和差波束指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)稀布陣通過犧牲增益和副瓣電平指標(biāo)，以較少的單元實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，節(jié)省了約20％的成本。

1 稀布陣的設(shè)計(jì)

某稀布陣的主要設(shè)計(jì)要求如下：

天線口徑：≤46個波長;增益：≥40 dB;掃描范圍：≥30(圓錐掃描);副瓣電平：≤－20 dB;和波束寬度：1.5±0.1°;差波束零深：≤－30 dB。

由于該稀布陣的掃描方式為圓錐掃描，采用圓口徑陣面。為實(shí)現(xiàn)－20 dB的副瓣，擬采用－30 dB圓口徑Taylor加權(quán)，其口徑效率約為0.85，則天線增益可估算為:

G=4πλ2Sη

(1)

其中：G是天線增益;λ是波長;S是口徑面積;η是口徑效率。估算得的增益為42.5 dB，與增益指標(biāo)相比余量較大，有稀布的可能。

為了減小輻射單元的損耗，采用角錐喇叭作為輻射單元。根據(jù)掃描范圍的要求，天線單元的3 dB波束寬度不宜小于60°。綜合考慮波導(dǎo)損耗、單元的增益及單元的空間尺寸，選擇了一種在工作頻率時(shí)尺寸較小的非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了E面與H面等化，3 dB波束寬度約80°的喇叭，Ansoft HFSS仿真所得的方向圖如圖1所示。它在工作頻帶內(nèi)的駐波優(yōu)于1.3 dB，將造成約0.1 dB的失配損耗。其增益約為7 dB。

圖1 輻射單元的方向圖

根據(jù)掃描范圍無柵瓣的要求，相鄰單元的間距不超過2/3波長，取單元間距為0.64波長。圓口徑滿陣的陣面共有3 940個單元，如圖2所示。增益重估為:

G=GeNη

(2)

其中：Ge是輻射單元的增益；N是單元數(shù)；η是口徑效率。重估增益為42.2 dB。

由于稀布陣在除副瓣電平和增益的指標(biāo)上與滿陣的指標(biāo)接近，為降低成本，擬采用稀布陣方案。設(shè)稀布率為0.7，則稀布陣的增益約為40.7 dB，可滿足增益指標(biāo)的要求。通過仿真可考察副瓣電平指標(biāo)是否符合要求。

為了使差波束具有較好的零深，必須保證陣列在四個象限內(nèi)的單元數(shù)相當(dāng)，如具有象限對稱性的陣面。具體的實(shí)現(xiàn)步驟是將第一象限內(nèi)(含坐標(biāo)軸)的單元按0.7的概率均勻抽取，再映射到其他三個象限及坐標(biāo)軸上。隨機(jī)抽取和映射后得到的單元數(shù)是2 788，如圖3所示。

圖2 圓口徑陣面示意圖

圖3 圓口徑稀布陣示意圖

所加的30 dB圓口徑 Taylor權(quán)和Bayliss權(quán)的系數(shù)如圖4所示。輻值均針對各自的最大值進(jìn)行了歸一化，半徑則針對陣面的半徑進(jìn)行了歸一化。通過圓口徑Taylor加權(quán)實(shí)現(xiàn)和波束的方向圖；通過圓口徑Bayliss加權(quán)結(jié)合不同的單元相位分布，可以分別實(shí)現(xiàn)方位面和俯仰面的差波束方向圖。

圖4 30 dB Taylor加權(quán)及Bayliss加權(quán)

2 仿真結(jié)果及分析

為了考察稀布對方向圖副瓣和波束寬度的影響，圖5分別比較了稀布陣與滿陣的0°面和波束、90°面和波束、方位差波束和俯仰差波束。

圖5 稀布陣與滿陣的方向圖比較

滿陣可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)加權(quán)的最大副瓣電平。由于稀布的影響，稀布陣的和差波束的副瓣電平與滿陣相比明顯抬高，最大副瓣電平約為－25 dB。依據(jù)此設(shè)計(jì)，考慮了加工及饋電的相關(guān)誤差后仍可滿足設(shè)計(jì)副瓣電平的設(shè)計(jì)要求。兩個面差波束的零深均超過－50 dB，也滿足設(shè)計(jì)要求。滿陣的和波束寬度約為1.49°，而稀布陣的波束寬度在1.47°左右，與滿陣接近，符合設(shè)計(jì)要求。由于稀布陣單元的間距足夠小，掃描范圍指標(biāo)符合要求。對稀布陣的方向圖進(jìn)行全空域積分，得到的方向性是41.1 dB，扣除輻射單元的損耗后可滿足要求。而相控陣天線的成本主要由T/R的成本決定，該稀布陣方案使系統(tǒng)成本下降了20%。

3 結(jié) 語

采用稀布的方法設(shè)計(jì)了一個低成本單脈沖相控陣天線。該方法基于稀布陣面上加圓口徑Taylor權(quán)和圓口徑Bayliss權(quán)實(shí)現(xiàn)和差波束。通過比較該方法的結(jié)果與滿陣加相同權(quán)的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者僅在增益和副瓣電平上有較大的差別。如果設(shè)計(jì)要求強(qiáng)調(diào)分辨率，著重波束寬度指標(biāo)，而對增益和副瓣電平指標(biāo)不做過高要求(如本例)，那么該方法具有合理性。實(shí)際上，提供了一個低成本單脈沖相控陣天線的解決方案。

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作者簡介

高 初 男，1978年出生，安徽合肥人，工程師，主要從事稀布陣和反射面天線的設(shè)計(jì)。

李 剛 男，1972年出生，安徽銅陵人，高級工程師，主要從事天線設(shè)計(jì)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。