相控陣天線間收發隔離影響分析

劉攀龍

（解放軍91404部隊，秦皇島066001）

0 引 言

相控陣天線作為一種電子掃描天線（ESA），通過改變各輻射單元的幅度、相位來實現天線波束指向在空間中的轉動［1］。

相比傳統的機械掃描天線，相控陣天線具有掃描速度快、目標數據率高、多目標跟蹤能力強等優點，能顯著提高武器系統的技術性能和作戰性能，是當代信息戰的重要信息來源，并擔負著警戒、跟蹤、火控、導航、艦載機的引導以及氣象探測等多項任務［2］。

正因為相控陣天線的諸多優點，在未來的系統中往往會集成多個相控陣面，各個陣面的工作頻段難免有重疊。當2個陣面中的一個處于發射態而另一個處于接收態時，發射態的陣列會有一部分能量以近場天線耦合等方式漏進處于接收態的陣面，這一部分能量如果超過一定范圍，則會使接收陣的性能惡化，帶來電磁兼容問題。對陣面間收發隔離度的研究有助于多天線系統的電磁兼容性設計。

1 隔離度計算的一般形式

設傳遞給發射陣面的功率為Pt，漏進接收陣面接收機輸入端的功率為Pr，則定義收發陣面的隔離度為：

在距離陣列d處的單位面積功率為：

式中：Prad為輻射功率；Gt為發射陣列增益。

則對應的均方根電場強度可表示為：

由上式可推導出用電場強度表示的傳遞給發射陣面的功率：

設接收功率密度為Prec，則進入接收陣列的功率可表示為：

式中：Ae為陣列天線的有效接收面積；G為接收陣列增益。

用接收場強Erec來表示Prec：

此時，進入接收陣列的功率可寫成：

式中：Gr為接收陣增益；B為接收陣天線與發射陣天線的匹配度。

由以上公式可得收發隔離度為：

對于自由空間傳播，Erec＝Efs，若在2個陣面間采用空間隔離裝置，則表面屏蔽作用的影響系數為：

因此，隔離度用分貝表示可改為如下形式：

式中：第1項表示的是電磁波自由空間傳播時的空間損耗，即自由空間隔離度，計算結果如表1所示。

表1 電磁傳播隔離計算表

2 陣列間隔離度的仿真分析

以收發陣列均是16×16為例，通過分析近場感應電動勢可以計算出不同頻率、不同距離、不同掃描角度的發射近區等效增益。

設發射面A與接收面B的中心距離為d，A面相對于B面旋轉一個θ角，如圖1所示。

A面任意一個單元（m，n）對應的電流源在B面任意一個單元（p，q）處產生的感應電動勢可表示為：

式中：r為2個單元之間的間距；α為r與y軸之間的夾角。

對m，n求和即可得到A面所有陣元在（p，q）處產生的電場，將B面所有子元的電場疊加即可得到A面對應B面所產生的總場強。用此方法計算的近區等效增益如表2所示。

設在收發陣列之間不加空間隔離和吸波材料，則隔離系數C＝0。運用公式可計算出收發陣面間的隔離度，如表3所示。

圖1 收發陣列天線示意圖

表2 發射近區等效增益

表3 發射近區等效增益

3 結束語

為確保接收陣面能夠正常工作，發射陣面發射功率漏到接收機輸入端的功率，應小于接收陣面接收機能夠正常工作的信噪比。設接收機可能收到的最小信號功率為Pmin，接收機輸入端的噪聲功率為PM，則接收機實際工作的信噪比為：

若發射信號耦合到接收機輸人端的功率Pr剛好能使接收機正常工作，則這樣隔離度可表示為：

上式表明：系統的靈敏度越高，對陣列間的隔離度要求也越高；同時為了彌補系統隔離度的不足，往往需要在發射陣與接收陣同時工作的情況下人為降低系統的接收靈敏度。

考慮到系統干擾雜散指標，可以計算出干擾陣面與接收陣面隔離度的指標要求，這里以干擾雜散指標－40dBc為例。

表4 干擾信號與雷達接收的隔離度

從計算結果可見，通常的收發陣面布置方法并不能滿足同時接收與發射的需求。需要從如下幾點進一步深入研究并采取相應措施。

（1）優化收發陣面之間的距離，可增加電磁波傳播的衰減系數；

（2）合理設計收發陣面規模，可優化收發陣列的耦合；

（3）對發射陣進行功率管理，優化發射資源，可以在雷達工作時采用收發分時方式；

（4）對發射陣的發射頻率與接收陣的接收頻率進行實時管理，在頻率上錯開；

（5）在發射陣與接收陣之間采用吸波材料或者擋板的形式進行物理隔離；

（6）對發射陣及接收陣的波束進行加權，控制副瓣電平；

（7）對發射與接收的極化進行實時控制；

（8）從信號產生電路、濾波電路、驅動放大電路等方面提高器件的雜散指標，合理分配鏈路增益，提高輻射信號頻譜純度；

（9）綜合采取自適應干擾對消方法，以及近區等效方向圖置零方法，減小收發天線的等效副瓣電平。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［2］葉顯武.艦載相控陣雷達的技術發展與應用［J］.現代雷達，2012（6）：5－8.

［3］John D Krabs.天 線 ［M］.北 京：電 子 工 業 出 版社，2012.

［4］石長生.談天線隔離度［J］.電子科技導報，1997（11）：16－18.

［5］何克強.雙反射面天線近場等效增益快速計算［J］.微波學報，2014（S2）：137－140.