基于子陣重疊結構的子陣劃分技術研究

陳建鋒, 吳　海

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州225001)

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基于子陣重疊結構的子陣劃分技術研究

陳建鋒, 吳海

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州225001)

摘要：對大型陣列進行子陣劃分能減少系統控制的路數，子陣級加入時延控制擴展了瞬時帶寬。對子陣劃分進行重疊排布，提供了窗函數的效果，有效抑制了由子陣劃分所引起的過密柵瓣。子陣單元級和子陣級分別進行加權操作，提供了較低的副瓣。

關鍵詞：電掃陣列；子陣重疊；柵瓣抑制；子陣疊加比

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]。

相比于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]。

然而，對于大型陣列來說，由于收發組件以及時間延遲等器件價格昂貴，使得陣面制造成本過高而難以推廣。采用子陣結構可以減少ESA所需的控制單元組件的數量，從而減小整機的計算復雜度，降低設備的計算成本。但同時子陣結構也會使掃描性能受到限制，且劃分的子陣單元數越多，其在工作頻段內柵瓣影響越嚴重。

對原有子陣進行重疊構造，并對波束進行加權賦形，能夠有效改善工作頻段內柵瓣影響，同時提高瞬時帶寬。

1子陣波束形成

陣列天線子陣劃分的拓撲結構有很多，這些結構都會使用多個移相器、時延模塊或者數字波束形成器等，且每種結構都有其優勢和局限。常見結構如圖1所示。

劃分子陣后的陣列一維方向圖可表示為[3]：

(1)

式中：E表示陣元方向圖，這里用余弦函數的乘方形式來表示；ASA表示陣元級子陣方向圖；AP則表示陣列后端子陣方向圖。

因此，圖1(a)所示的方向圖公式為：

(2)

式中：R為每個子陣的陣元數；P為陣列所劃分的子陣數;xp為重疊子陣間距；ar、bp為對應的權系數。

圖1　陣列天線子陣劃分的拓撲結構

用N=R×P表示總的陣元數,對應的方向圖如圖2所示，其中N取16。隨著子陣單元數的增加，子陣間的間距也會增大，根據一維陣列柵瓣公式，會有更多的柵瓣進入掃描區間，則：

(3)

圖2為陣元級方向圖，當子陣單元數為4時，在±40°內就已經出現了柵瓣，但由于單元級陣因子的2個零點限制，減少了柵瓣對最終綜合方向圖的影響。

圖2　子陣劃分方向圖

當ASA開始掃描時，由于單個陣元不掃描，陣元級方向圖的柵瓣將從單元級陣因子的零點位置移開，此時柵瓣將惡化整個綜合方向圖，如圖3所示。掃描角為10°時已有多個柵瓣出現在工作區內。

圖3　陣元級方向圖掃描

提高單元級掃描能力可以改善此現象，即在單元級連接移相器，同時在子陣級連接時延模塊，在保證掃描能力的前提下也擴展了瞬時帶寬，如圖1(b)所示。對于電掃描陣列，其瞬時帶寬可表示為[4]：

(4)

式(4)說明電掃陣列瞬時帶寬與陣列尺寸L以及掃描角正弦成反比。在子陣級連接時延模塊后，陣列尺寸L將由子陣尺寸LSA代替。此時：

(5)

式中：P為子陣數。

對于上例，子陣數目為4時，P為4，即瞬時帶寬將擴大為原來的4倍。

電掃陣列工作在中心頻率之外時，使用如上子陣方式可以擴展其工作帶寬，但是在主波束之外的角度，由于陣元級方向圖的柵瓣與單元級陣因子的零點位置錯開一個角度，陣元級方向圖過密的柵瓣將惡化整個綜合方向圖，如圖4所示。為了與下文對應并體現子陣對大型陣列的優化作用，圖4對應總單元數為120的陣列，子陣單元數為12。由圖4可以看出，陣列工作在非諧振頻率處、掃描角指向30°時，工作范圍內有多處柵瓣抬高。

2子陣重疊波束形成

電掃陣列子陣劃分方案是為了減少系統控制單元，擴大瞬時帶寬，但工作頻率偏離中心頻率時，子陣方向圖發生的偏斜，使得綜合方向圖內出現多處柵瓣，這直接限制了系統帶寬的擴展。

為了降低副瓣，往往需要通過加權來對波束進行賦形。對于上節所述的子陣結構，在單元級子陣

進行加權，則子陣內的單元數量過少對于加權操作是不利的，而單元數過多又會增加子陣間的間距，引起陣元級方向圖內出現過密的柵瓣；在子陣級進行賦形，并不會減少柵瓣的數量，這對于最終的綜合方向圖優化意義不大。

圖4　子陣在非諧振頻率處性能受掃描角的影響

圖5　重疊子陣結構

每個單元都經過一個1/3的功分網絡將信號分流，并通過4/1和3/1的網絡將信號合并。每一路信號都進行了加權操作，合并后的信號通過時間延遲模塊來提高掃描的穩定性。而在數字波束形成(DBF)中，可在每路合并信號后連接一個接收信道來進行時延控制，然后將通道進行數字合成[5]。

采用子陣重疊的一維方向圖同樣能用式(1)表示，只需將對應的參數進行修正即可，即：

(6)

式中：R為子陣單元數；P為重疊子陣數目；對應的xp為重疊子陣的間距。

陣元級連接時延模塊使得陣列后端子陣AP公式中的工作波長和諧振波長一致，方向圖最大值對應的掃描角將與工作波長無關。

在單元子陣內采用泰勒加權，各個單元的相對電平為：

采用子陣重疊結構后的陣列方向圖如圖6所示。

圖6　重疊子陣方向圖，單元級Taylor加權

由圖6可以看出，當工作頻率偏移諧振頻率時，單元陣因子會發生偏斜；而子陣級加入的時延控制使得陣元級方向圖指向不隨頻率變化，綜合后的方向圖除了增益有一定損耗外，波束指向并不改變；而且子陣重疊結構能夠提供窗函數的效果，有效抑制了陣元級方向圖中的柵瓣在綜合方向圖中的出現。通過對各個子陣進行加權還能進一步控制綜合方向圖的副瓣高度，依然使用Taylor綜合法對10路子陣進行加權，方向圖如圖7所示。

圖7　單元級和子陣級分別進行加權的重疊子陣方向圖

3結束語

本文以一維電掃陣列為例，分析了子陣劃分對

陣列天線方向圖的影響。不難看出，子陣劃分可以減少控制單元的路數，這對于擴大瞬時帶寬、降低DBF自適應算法復雜度和計算量等方面是有很大幫助的，但子陣級方向圖過密的柵瓣卻限制了整個陣列性能。子陣重疊結構排列能夠克服這一問題，保證子陣單元數量進行加權操作的同時，減小子陣之間的排列間距，通過子陣單元級和子陣級加權賦形可以提供窗函數的效果，抑制柵瓣的同時更好地控制副瓣的高度。本文通過實例驗證了此方法的可行性，通過公式推演也能簡單地應用到二維陣列上。

參考文獻：

[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]BROWNAD.電掃陣列——MATLAB建模與仿真[M].汪連東，孔德培，喬會東，等譯.北京：國防工業出版社,2014.

[4]李黎.寬帶相控陣天線綜合[D].西安：西北工業大學，2006.

[5]唐建生，孫超.基于子陣合成的寬帶波束形成方法[C]//陜西省聲學學會.中國聲學學會2005年青年學術會議.西安：陜西省聲學學會，2005:231- 233.

Research into Subarray Division Technology Based on Overlapped Subarray Architecture

CHEN Jian-feng,WU Hai

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Dividing large-scale array into subarrays can reduce the system control routes.In order to widen instantaneous bandwidth,the time delay control is introduced in subarray.Window function effect can be provided by overlapping subarray division,which effectively suppresses the over crowded grating lobe due to subarray division.Weight is separately performed in subarray unit level and subarray level,which provides relatively low side lobe.

Key words:electronically scanned array;overlapped subarray;grid lobe suppression;overlapped subarray ratio

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.021

中圖分類號：TN821.8

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0095-04

收稿日期:2015-09-17