天線副瓣對雷達探測的影響研究?

董鵬曙,金加根,謝幼才,王志綱

(空軍預警學院,湖北武漢430019)

0 引言

天線在雷達中占有非常重要的地位,其作用是向探測空域輻射大功率的電磁波,并接收目標反射的微弱信號。在對雷達探測性能進行分析時,通常只考慮天線增益、波束寬度等參數[1-2]。實際上,任何雷達天線都有副瓣,而且覆蓋主瓣以外的所有區域。天線副瓣對雷達探測的影響主要包括三個方面:一是在發射的過程中,副瓣輻射的電磁波分散了發射能量,降低了主瓣照射功率;二是在接收的過程中,副瓣接收的雜波與主瓣接收的雜波疊加在一起,增加了雜波的強度;三是副瓣給有源干擾提供了進入的通道。由此,導致雷達探測性能的下降。本文主要分析天線副瓣輻射對雷達探測性能的影響。

1 理論分析

1.1 副瓣輻射分析

為了簡化分析,以兩坐標雷達為例。假設天線主瓣的零點波束寬度為θ0,主瓣范圍以內單位方位角的平均輻射功率為P m,主瓣范圍以外單位方位角的平均輻射功率為P r,天線總輻射功率為P,則

定義主瓣以外單位方位角平均輻射功率P r與主瓣內單位方位角的平均輻射功率P m的比值為平均副瓣,則

由此可得主瓣輻射功率為

顯然,主瓣輻射功率小于總輻射功率。將副瓣輻射對主瓣輻射的影響定義為副瓣損耗因子,則

1.2 副瓣接收分析

為了保證對低空空域的覆蓋,雷達一般將俯仰面主波束設置為3 dB觸地。在主波束觸地范圍內,面雜波(包括地雜波、海雜波)是目標探測的主要障礙,面雜波的強弱一般用雜波反射面積σc來表征[3]。

式中,σ0為面雜波單元的歸一化反射系數;0.5cτsecα為分辨單元距離向的長度,α為雷達照射的傾角;Rθ0為分辨單元方位向的寬度。主瓣雜波單元如圖1所示。

圖1 主瓣雜波單元、副瓣雜波單元示意圖

天線副瓣輻射功率同樣也接收雜波,而且覆蓋主瓣以外的所有區域。為了簡化分析,假設在相同距離上面雜波的特性一致,歸一化反射系數均為σ0,將副瓣雜波反射面積記為σcsll,則

在接收機中,主瓣雜波和副瓣雜波混合在一起,構成總的雜波。考慮天線主瓣、副瓣增益和收發雙程因素,總的雜波反射面積為

將副瓣輻射對雜波反射面積的影響定義為雜波增強因子K,則

一般而言,雷達天線副瓣電平優于-20 dB,雷達天線平均副瓣比最大副瓣電平低3～12 dB[4-6],上式中第二項的數值在0.01以下。因此,副瓣輻射對雜波的影響可忽略不計。

1.3 副瓣干擾分析

情報雷達天線通常是圓周掃描工作,干擾對準主瓣的時間極短,對準副瓣時間極長,干擾主要通過副瓣進入。雷達抗副瓣干擾能力可用副瓣自衛距離來度量[7-8]。

雷達主瓣接收目標回波信號功率為

式中,Pt為主瓣輻射功率;G為天線增益;λ為發射信號波長;σ為目標雷達截面積;R為目標距離;L為損耗。接收系統噪聲功率為

式中,k為波耳茲曼常數;T為系統噪聲溫度;B為接收機噪聲帶寬。雷達副瓣接收干擾信號功率為

式中,Pj為干擾機輻射功率;Gj為干擾機天線增益;Gr為雷達天線副瓣增益;Rj為干擾機距離;γ為極化失配系數。在干擾背景中探測目標,必須滿足

式中,KJ為信號檢測所要求的最小信干比。

當雷達天線副瓣增益為0(即理想無副瓣天線)時,沒有副瓣干擾,雷達探測僅受噪聲影響,其探測距離取最大值:

式中,Kmin為信號檢測所要求的最小信噪比。

當天線副瓣增益不為0,則有

雷達副瓣自衛距離為

假設信號檢測所要求的最小信噪比、信干比相等,則

式中,αj,βj分別為雷達天線主瓣接收干噪比和副瓣接收干噪_比,且

由此可得

雷達副瓣自衛距離由雷達最大探測距離、主瓣接收干噪比和天線平均副瓣電平等決定。

1.4 副瓣對雷達探測的影響分析

副瓣輻射對雷達探測的影響主要體現在最大探測距離和副瓣自衛距離上。雷達在無干擾環境下探測遠距離目標時,其主要限制因素是噪聲。副瓣輻射的影響是使主瓣輻射功率降低倍。因此在雷達方程總的損耗因子中,還需要考慮副瓣損耗因子。

2 計算分析

2.1 副瓣損耗

表1給出了天線主瓣的零點波束寬度θ0、平均副瓣取不同的值時,副瓣損耗因子的計算結果;圖2給出副瓣損耗因子隨零點波束寬度θ0、平均副瓣的變化情況。

表1 副瓣損耗因子

表1 副瓣損耗因子

θ0/(°) SLL/dB________________-20_______-27__________________________-30_-35 13691 2 15 18 21 24 27_________30 0.2179 0.4566 0.6289 0.7194 0.7752 0.8130 0.8403 0.8613 0.8772 0.8905 0.9009__0.5826 0.8081 0.8946 0.9278 0.9453 0.9561 0.9635 0.9688 0.9728 0.9760 0.9785__0.7358 0.8936 0.9443 0.9625 0.9718 0.9775 0.9814 0.9842 0.9862 0.9881 0.9891__0.8977 0.9634 0.9814 0.9881 0.9911 0.9930 0.9940 0.9950 0.9960 0.9960 0.9970

圖2 副瓣損耗因子與平均副瓣電平、零點波束寬度關系曲線

由表1和圖2可以看到:

(2)對警戒雷達而言[8],其半功率點波束寬度θ0.5一般為5°～10°,零點波束寬度θ0為15°～30°,平均副瓣電平優于-20dB,副瓣損耗因子在1dB以下,可忽略不計。對引導雷達而言[8],其半功率點波束寬度θ0.5一般為1°～2°,零點波束寬度θ0為3°～6°,平均副瓣電平優于-30dB時,副瓣損耗因子在0.5dB以下,可忽略不計;平均副瓣電平在-27～-20 dB時,副瓣損耗因子在1～3.5 dB之間,計算雷達最大探測距離時應予考慮。

2.2 副瓣自衛距離

取雷達與干擾機的典型參數如表2所示,計算可得主瓣接收干噪比αj可達106量級。

表2 雷達與干擾機參數

圖3給出了主瓣接收干噪比αj為105～108時,雷達副瓣自衛距離與平均副瓣電平的關系曲線。

圖3 副瓣自衛距離與主瓣接收干噪比、平均副瓣電平關系曲線

由圖3可以看到:

(1)干擾越強,雷達副瓣自衛距離越小。

(2)當干噪比很高時,副瓣自衛距離與平均副瓣電平呈線性關系:平均副瓣電平每降低4 dB,副瓣自衛距離增大1 dB,約增加25.9%。

3 結束語

理論分析和計算表明,天線副瓣對雷達最大探測距離有一定的影響,對副瓣自衛距離有較大的影響。對警戒雷達而言,副瓣損耗因子對最大探測距離的影響很小,一般可忽略不計。對引導雷達而言,天線副瓣較低時(平均副瓣電平優于-30 dB),副瓣損耗因子對最大探測距離的影響可忽略不計;天線副瓣較高時(平均副瓣電平-27～-20 dB),副瓣損耗因子在1～3.5 dB之間,計算雷達最大探測距離時應予考慮。對所有雷達而言,副瓣電平每降低4 d B,副瓣自衛距離均增大1 dB。本文分析結論對雷達總體設計及探測性能分析計算有一定的參考價值。

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