彈載共形相控陣天線拓撲結構分析

王　梅，胡志慧，張　君，尚　輝

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學院，北京101123）

彈載共形相控陣天線拓撲結構分析

王梅1，胡志慧2，張君2，尚輝2

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學院，北京101123）

以彈載多模復合制導雷達導引頭為應用背景，在未考慮極化的情況下，首先建立了任意有向陣列的方向圖函數；然后，采用同心圓等角度、同心圓等間距以及矩形柵格3種不同配置方式，建立了錐面共形相控陣天線模型，推導了不同配置方式下天線陣列方向圖函數；通過比較其方位面及俯仰面的副瓣電平，得出結論：同心圓等間距配置方式是錐面共形相控陣雷達導引頭天線單元的最優配置方式。

錐面共形相控陣天線；最優配置；導引頭

隨著精確制導技術的發展，傳統單模導引頭已不能滿足現代作戰的要求。多模復合導引頭可兼顧主動與被動工作方式，已成為現代戰爭的有效途徑。多模復合導引頭須采用多個傳感器，這給其天線設計帶來了極大挑戰。為滿足設計要求，可以在共享一個頭錐的情況下，將天線單元安裝于導引頭表面，從而形成共形相控陣天線[1-5]。共形相控陣天線是共形陣與相控陣的結合，不僅具有控制靈活、掃描速度快、掃描范圍寬等優點，同時又具有隱身性能好、突防能力強等優點。因此，共形相控陣天線已成為新一代雷達導引頭天線技術發展的重要方向[6-10]。

對于共形相控陣天線，各陣元位置及方向圖指向都不同，因而不同的陣列配置方式對波束方向圖有較大影響。文獻[11-12]推導了有向共形天線單元從局部極坐標系到全局極坐標系的變換方法，并推導了錐面天線陣列的方向圖函數，但這種方法需要天線單元方向圖的極化信息，當極化信息未知時將不再適用。針對上述問題，本文以彈載多模復合制導雷達導引頭為應用背景，在未考慮極化的情況下，首先建立了任意有向陣列的方向圖函數；然后，采用同心圓等角度、同心圓等間距以及矩形柵格3種不同配置方式建立了錐面共形相控陣天線模型，推導了不同布陣方式下天線陣列方向圖函數；通過比較不同方式下波束副瓣特性，確定了共形相控陣雷達導引頭天線單元的最優配置方式。

1　任意有向陣列方向圖函數

如圖1所示，將N個天線單元安裝于任一曲面上，假設第n個陣元的對應的三維坐標為(xn,yn,zn)，則其對應的位置矢量為：

圖1　任意天線陣列方向圖Fig.1 Direction map of arbitrary antenna array

假設?、θ為目標方向上的方位角及俯仰角，則其單位向量為：

將坐標原點O作為相位參考點，則第n個陣元對應的相位差為：

假設在全局坐標系中第n個陣元的方向圖函數為 fn(θ,?)，則錐面共形相控陣天線的導向矢量為：

設期望信號(θT,?T)方向上的單位向量為

則在期望方向上的相位差為

假設第n個陣元的復加權矢量為

式（7）中：An為加權幅度；αn為加權相位。

錐面共形相控陣天線遠場(θ,?)的方向圖為：

2　錐面共形相控陣天線陣列的配置方式

假設雷達運動平臺如圖2所示，其中錐角為θ0，圓臺上底半徑為R0，高為h，對于雷達下視角海面方向目標P對應的俯仰角及方位角為(θ,?)。錐面共形相控陣天線單元布陣方式對陣列性能有著重要影響，為選擇合理的布陣方式，分別采用同心圓等角度、同心圓等間距以及矩形柵格這3種方式對錐面共形相控陣天線進行了模型。

圖2　雷達運動平臺Fig.2 Platform of radar motion

2.1同心圓等角度配置方式

采用同心圓等角度配置方式時，共形相控陣天線陣列示意圖如圖3所示，天線陣列在xy平面內投影如圖3 a）所示，整個天線陣列幾何結構如圖3 b）所示。由圖3可知，從z軸方向觀察，陣元沿錐臺母線方向對齊排列，從xy平面觀察，陣列可以看作是由若干個陣元數目相同的圓環子陣組成，每個陣元等間隔的分布在以與原點為起始角的圓環上。假設在z軸方向上等間距分布著M個圓環陣，圓環與圓環之間的垂直間距為dz，每個圓環上陣元間的角度間隔為Δ?，單元數目為N=ceil(2π/Δ?)，ceil為取整函數，第m個圓環的半徑Rm=R0+(m-1)×dz×tan(θ0)。因此，陣列中第m個圓環上第n個陣元的位置為：

圖3　同心圓等角度配置方式Fig.3 Configuration of concentric ring with equal angle

2.2同心圓等間距配置方式

共形相控陣天線陣列采用同心圓等間距配置方式如圖4所示，圖4 a）為天線陣列在xy平面內投影，圖4 b）為整個天線陣列幾何結構。由圖4可知，陣列由M個圓環陣組成，圓環與圓環之間的垂直間距為dz，每個圓環上陣元按等間距de排列。第m個圓環半徑 Rm=R0+(m-1)×dz×tan(θ0)，其 單 元 數 目 為N=ceil(2πRm/de)。因此，陣列中第m個圓環上第n個陣元的位置為：

圖4　同心圓等間距配置方式Fig.4 Configuration of concentric ring with equal distance

2.3矩形柵格配置方式

共形相控陣天線陣列采用矩形柵格配置方式如圖5所示，圖5 a）為天線陣列在xy平面內投影，圖5 b）為整個天線陣列幾何結構。由圖5 a）可知，在xy平面內，陣列分布為矩形柵格，其在x及y方向上間距分別為Δx及Δy。

圖5　矩形柵格配置方式Fig.5 Configuration of rectangular gird

從xy平面觀察，第m行第n列所在陣元的位置為：

3　仿真及性能分析

3.1共形天線單元

為實現共形天線陣列小型化，本文采用凹槽加載的中心饋電方式設計了共形微帶天線單元，如圖6 a）所示。這種饋電方式可通過調整凹槽深度實現天線輸入阻抗與微帶饋線的阻抗匹配，實現起來簡單易行，節省空間。天線工作在中心頻率時，其俯仰面及方位面方向圖如圖6 b）所示，由圖可知其最大增益為7.8dB，E面半功率波束寬度為±40°，H面波束寬度為±38°，E面及H面的后向輻射均小于-10dB。由此可知該天線單元方向圖均勻、后瓣較小、結構緊湊、易加工制作于彈體，適用于構建彈載共形相控陣天線。

圖6　共形天線單元Fig.6 Conical conformal antenna

3.2不同布陣方式下性能比較

本文以彈載多模復合制導雷達導引頭為應用背景，假設錐臺體高h=13λ，頂部半徑R0=8.5λ，錐角θ0=14°，其中，心頻率為35 GHz，陣元按上述3種配置方式分布于錐臺表面。

假設陣列一為同心圓等角度配置方式，陣列由M=21個圓環陣組成，圓環與圓環之間的垂直間距為dz=0.65λ，每個圓環上陣元間的角度間隔為Δ?=3.5°。

假設陣列二為同心圓等間距配置方式，陣列由M=21個圓環陣組成，圓環與圓環之間的垂直間距為dz=0.65λ，每個圓環上陣元按等間距排列，陣元間距為de=0.6λ。

假設陣列三為矩形柵格配置方式，其在x及y方向上間距分別為Δx=Δy=0.32λ。

天線單元共形于錐臺表面，整個共形相控陣天線陣列被劃分為多個子陣，為了實現大角度寬范圍波束掃描，可在方位面采用子陣切換方式實現波束掃描，俯仰面采用相控掃描方式。假設每個子陣覆蓋的方位角為90°，則陣列一、陣列二及陣列三在該子陣中所包含的陣元數目分別為525、535及519。為了確定了共形相控陣雷達導引頭天線單元的最優布陣方式，分別對不同布陣方式下該子陣的波束性能進行了比較分析。

假設波束指向為錐面法向方向（76°,0°），陣列一、陣列二及陣列三在方位面及俯仰面的波束方向圖分別如圖7 a）、b）所示。由圖7可知，不同布陣方式下3種陣列在方位面及俯仰面上其主瓣性能變化較小。但在方位面上副瓣區域，陣列二與陣列三其副瓣較低，陣列一在±90°附近其副瓣電平明顯比陣列二及陣列三高。在俯仰面上副瓣區域，陣列一與陣列二其副瓣較低，陣列三在靠近錐角以及其后向附近其副瓣電平明顯比陣列一及陣列二高。通過比較可知，同心圓等間距配置方式為錐面共形相控陣天線的最優配置方式。

圖7　不同配置方式下性能比較Fig.7 Comparison with different topology

4　結論

本文以彈載多模復合制導雷達導引頭為應用背景，首先建立了任意有向陣列的方向圖函數；然后，采用同心圓等角度、同心圓等間距以及矩形柵格3種不同配置方式建立了錐面共形相控陣天線模型，推導了不同配置方式下天線陣列方向圖函數；通過比較不同配置方式下方位面及俯仰面的副瓣電平，得出同心圓等間距配置方式是錐面共形相控陣雷達導引頭天線單元的最優配置方式。

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Topology Structure Analysis of Missile-Carried Conformal Phased Array

WANG Mei1,HU Zhihui2,ZHANG Jun2,SHANG Hui2
（1.Department of Electronic and Information Engineering,NAAU,Yantai Shandong 264001,China; 2.Army Aviation Institute,Beijing 101123,China）

Based on the application of seeker conformal phased array,a method of arbitrary conformal antenna pattern transformation from global coordinates to local coordinates was given firstly without the consideration of polarized informa?tion,and the expression of arbitrary array pattern was given.Then three different conical conformal array with the configu?ration of equal angle,equal distance and rectangular gird were modeled,the equal distance configuration was considered as the optimal configuration of conformal phased array seeker by the comparison of sidelobe of azimuth and elevation plane. Key words:conical conformal phased array;optimal configuration;missile seeker

TN82

A

1673-1522（2016）01-0034-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.007

2015-11-10；

2015-12-23

山東省自然科學基金資助項目（ZR2012FQ004）

王梅（1983-），女，工程師，碩士。