頻率分集陣列穩態波束形成方法

徐艷紅,史小衛,文 珺

(1.西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室,陜西西安 710071; 2.廣西大學計算機與電子信息學院,廣西南寧 530004)

頻率分集陣列穩態波束形成方法

徐艷紅1,史小衛1,文 珺2

(1.西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室,陜西西安 710071; 2.廣西大學計算機與電子信息學院,廣西南寧 530004)

針對頻率分集陣列天線的發射方向圖隨時間變化的問題,提出了一種脈沖體制頻率分集陣列天線穩態波束形成方法,并對其發射方向圖特性進行分析.頻率分集陣列天線在天線單元間采用微小的頻率步進可形成距離角度二維依賴的發射方向圖.相比傳統相控陣天線,頻率分集陣列天線無需移相器,因此其具有成本低、復雜度小以及適合陣列天線小型化設計等優點.同時,其天線發射方向圖的距離角度二維依賴特性,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性.仿真實驗驗證了本文方法的有效性.

頻率分集陣列;脈沖體制;發射方向圖;波束掃描;距離角度依賴

隨著無線電技術的快速發展,相控陣天線以其靈活的波束掃描特點,在軍事和民用領域取得了廣泛的應用[1-2].在傳統陣列天線中,天線單元空間位置及其饋電激勵權值所形成的陣列口徑場分布決定了整個天線系統的輻射特性.相控陣天線通常采用移相器來實現電子波束掃描,不僅造價高昂,而且系統設計復雜.目前,通常采用頻率掃描陣[3]、子陣劃分[4-5]等方法來降低大型相控陣天線的系統復雜度.

近年來,一種無需采用移相器就可以實現波束掃描的頻率分集陣列天線引起了國內外學者的廣泛關注[6-14].與傳統相控陣天線不同,頻率分集陣列天線單元之間的工作頻率具有很小的差異:陣元之間存在很小的頻率步進.文獻[6]中首次提出了頻率分集陣列的概念,并分析了其天線發射方向圖波束特性.相比傳統陣列天線,頻率分集陣列天線具有更多的系統自由度,可以形成隨距離、角度以及時間而規律變化的天線方向圖[7],使陣列波束掃描更加靈活.文獻[7]給出了頻率分集陣列天線的接收波束形成.為獲取精確穩定的頻率步進量,文獻[9]提出了一種實用的線性調頻信號延遲饋電的頻率分集陣列天線系統,并進行了設計驗證.文獻[10]對頻率分集陣列波束時變特性進行了驗證,并給出了一種低成本的頻率分集陣列.其波束掃描是由于頻率分集陣列天線的時間依賴性,但并沒有考慮利用頻率步進量來實現波束控制.文獻[11]提出了一種頻率分集雙基雷達系統,利用頻率分集陣列結合陣元位置設計,實現了距離依賴方向圖設計,該方向圖與傳統天線方向圖正交.文獻[12-13]分析了頻率分集陣列天線在機載預警雷達系統中的應用,其中文獻[12]給出了其回波信號的特性和距離模糊雜波分布特性,文獻[13]將自適應信號處理推廣到距離維.此外,在雷達成像中,頻率分集陣列可有效提高成像的分辨力[14].目前,頻率分集陣列天線的研究主要集中于連續波信號體制[7-11].本質上,頻率分集陣列天線利用其頻率步進帶來的附加相位實現天線方向圖波束掃描.在連續波信號體制中,該相位隨著時間的積累呈周期性變化,因此頻率分集陣列天線方向圖具有時變特性.理論上,空間中的任意一點都會被主瓣所照射.實際中,脈沖信號體制的陣列天線在雷達聲吶中具有廣泛的應用.對于脈沖體制的頻率分集陣列天線,其發射方向圖在脈沖時間內可近似保持不變,對雷達目標檢測、成像等具有重要的意義.

筆者針對脈沖體制頻率分集陣列天線,提出一種穩態波束形成方法,并對脈沖體制頻率分集陣列天線發射方向圖的距離-角度二維依賴特性進行分析.頻率分集陣列天線方向圖存在主瓣周期性,通過合理選擇頻率步進量,可以實現對陣列波束掃描的控制.

圖1　頻率分集陣列天線幾何構型

1　頻率分集陣列天線基本原理

圖1所示為M元頻率分集陣列,其天線單元間距為d,單元間的工作頻率依次步進,且頻率步進量為Δf.第m個天線單元的工作角頻率為

其中,ω0=2πf0,為參考工作角頻率,Δω=2πΔf,為角頻率步進量.對于陣列遠場點P,該陣列電場表達式為

其中,θ和R0分別為觀測點偏離陣列法線的夾角和觀測點到陣列的距離;wm,fe(ωm,θ)和Rm分別為第m個天線單元對應的饋電權值,單元方向圖和其到觀測點P的距離;km=k0+(m-1)Δk,為第m個天線單元的波數,k0=ω0c,為參考波數,Δk=Δωc,為相鄰天線單元間的波數差.

對于陣列遠場的點P,第m個天線單元的傳播距離可近似表示為

因此,第m個天線單元的輻射信號在P點的相位可表示為

假定各天線單元的輻射方向圖相同,陣列總長度遠小于陣列到觀測點的距離,且頻率步進量遠小于天線的參考工作頻率,即

那么,式(2)可簡化為

其中,φ=Δω(t-R0c)+k0d sinθ.不失一般性,取陣列天線單元為全向天線且饋電權值為1,則當時電場取得峰值.

由式(6)可見,與傳統相控陣天線僅與角度有關的方向圖相比,頻率分集陣列天線方向圖不僅與角度有關,而且與距離和時間有關.實際中,由于連續波體制頻率分集陣列天線的波束掃描是時變的,這會造成回波信號相干性下降,導致信號處理增益降低.筆者針對這一問題采用脈沖信號體制,研究了頻率分集陣列天線的波束掃描控制方法.實際上,由于脈沖體制頻率分集陣列天線發射脈沖很短,在脈沖持續時間內天線發射方向圖近似時不變,因此可以保持回波信號的相干性.

2　頻率分集陣列天線穩態波束掃描方法

針對脈沖體制頻率分集陣列天線發射方向圖的掃描特性以及系統設計問題進行分析,提出了一種頻率分集陣列天線穩態波束控制方法.考慮脈沖體制頻率分集陣列天線,其第m個天線單元的發射信號為

對于脈沖體制陣列天線系統,其發射信號時間長度有限,天線發射方向圖在T時間內也存在變化,因此,脈沖持續時間對于系統設計至關重要.由于頻率分集陣列天線方向圖為時間的函數,天線發射方向圖的主瓣持續時間為

對于空間點P,式(10)確定的時間為天線方向圖主瓣照射P點的時間.在這段時間內,天線輻射能量的主瓣位于點P所在區域.因此,當發射脈沖時間長度滿足下列條件時:

頻率分集陣列天線發射方向圖在空間中的時變特性幾乎可以忽略,此時可近似認為天線方向圖與時間近似無關,即實現了穩態波束形成.其相應的穩態天線發射方向圖為

需要說明的是,式(12)所得發射方向圖在P點的持續時間為T.實際上,在脈沖體制下,為實現波束主瓣照射到空間點P,需要合理選擇頻率步進量.為實現天線主瓣照射到空間點P,需滿足以下關系:

由式(12)可知,脈沖體制頻率分集陣列天線的發射方向圖是距離-角度的二維函數.式(14)給出了脈沖體制頻率分集陣列天線穩態波束掃描控制方法,即通過改變頻率步進量實現陣列波束掃描.由于整數l為離散值,因此可選擇的頻率步進量有很多.傳統相控陣天線方向圖僅與角度有關,因此需要通過移相器控制波束掃描角度實現對觀測空域的有效覆蓋;對于脈沖體制的頻率分集陣列天線,由式(14)可知,在給定天線位置分布及參考工作頻率的情況下,其天線方向圖的主瓣指向可以通過改變角頻率步進量(或頻率步進量)進行控制,并且其波束具有距離-角度二維依賴性,因此,其波束掃描具有更高的可控性和靈活性.

3　仿真實驗

下面對所提出的穩態波束掃描控制方法進行實驗驗證.仿真試驗中,陣列單元數為7,參考工作頻率為10 GHz.考慮理想單元方向圖,首先對傳統相控陣天線和脈沖體制頻率分集陣列天線歸一化功率發射方向圖進行對比分析;接著仿真驗證了文中所提穩態波束掃描控制方法的有效性.再通過電磁仿真軟件對脈沖體制頻率分集陣列天線的瞬時電場分布進行觀測,進一步驗證了文中所提穩態波束控制方法的有效性.

3.1頻率分集陣列天線發射方向圖

圖2給出了傳統相控陣天線和脈沖體制頻率分集陣列天線歸一化功率發射方向圖,其中陣元間距為半波長.由圖可見,傳統相控陣天線功率發射方向圖僅與角度有關,與距離無關.與傳統相控陣天線不同,脈沖體制頻率分集陣列天線功率發射方向圖不僅與角度有關而且與距離有關.因此,脈沖體制頻率分集陣列天線發射方向圖具有距離和角度二維可控自由度,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性.

圖2　歸一化功率發射方向圖

由上文的分析可知,脈沖體制頻率分集陣列天線可通過改變頻率步進量來實現天線波束掃描,無需移相器.圖3給出了在同一觀測距離上,脈沖體制頻率分集陣列天線在不同頻率步進量情況下的歸一化功率發射方向圖,仿真實驗中觀測距離為30 km.如圖3所示,當頻率步進量分別為10 k Hz、11 k Hz和12 k Hz時,天線波束的最大指向分別為0°(sinθ=0)、11.54°(sinθ≈0.2)和23.58° (sinθ≈0.4).需要說明的是,在圖3的仿真實驗中,當頻率步進量的改變量為10 k Hz(如頻率步進量從10 k Hz變化到20 k Hz)時,其最大波束指向將重新回到起點,完成-90°～90°角度的掃描.由此可見,通過改變頻率步進量可以有效實現脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描.

圖3　脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描

3.2電磁仿真實驗

為進一步驗證文中波束控制方法的有效性,通過電磁仿真軟件CST Microwave Studio對脈沖體制頻率分集陣列天線的瞬時電場分布進行仿真分析,其電磁仿真模型如圖4所示.該陣列位于x Oy平面,各個天線單元的激勵信號頻率分別為從f0到f0+6Δf,輸入功率相同.具體仿真參數如表1所示.

表1　脈沖體制頻率分集陣列天線仿真參數

圖4　脈沖體制頻率分集陣列天線電磁仿真模型

圖5 觀測面1上不同頻率步進量情況下的瞬時電場分布

圖5給出了不同頻率步進量情況下,觀測面1上的電場強度分布.由表1參數可知,脈沖信號傳播到觀測面1的時間為2 ns,主瓣穿越觀測面的時間(即信號脈沖寬度)為0.3 ns.因此,實驗中給出了在2.2 ns時觀測面1的瞬時電場分布情況.8個平面從左到右對應的頻率步進量分別為0.010～0.017 GHz,間隔為0.001 GHz.由圖可見,通過改變頻率步進量可以實現脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描.

為了進一步說明不同頻率步進量情況下的波束掃描情況,圖6中分別給出了頻率步進量為0.01 GHz (圖6(a),(b)和(c))和0.02 GHz(圖6(d),(e)和(f))情況下,不同時刻觀測面2上的瞬時電場分布情況.對比這兩組圖可見:隨著頻率步進量的增大,脈沖體制頻率分集陣列天線的主瓣掃描偏離陣列法線方向的程度增大,因此頻率分集陣列天線可通過改變頻率步進量實現波束掃描.另外,對于脈沖體制頻率分集陣列天線,當脈沖寬度小于主瓣持續時間時,空間某一點的電場分布在脈沖持續時間T內基本不變.圖6中給出的瞬時電場分布情況反映了脈沖體制頻率分集陣列天線的空間電場分布的特點:任意時刻的電場分布僅在空間中有限區域內的強度較高.

圖6　觀測面2上的瞬時電場分布

4　結束語

針對頻率分集陣列天線發射方向圖隨時間變化的問題,文中提出了一種脈沖體制頻率分集陣列天線穩態波束形成方法.在滿足約束條件下,通過改變頻率步進量,脈沖體制頻率分集陣列天線即可實現波束掃描,無需采用造價高昂的移相器,其成本低適合小型化陣列天線設計.同時,脈沖體制頻率分集陣列天線發射方向圖具有距離角度依賴性,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性,因此,在脈沖體制雷達等系統中具有廣闊的應用前景.

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(編輯:王 瑞)

Static beamforming method of frequency diverse array

XU Yanhong1,SHI Xiaowei1,WEN Jun2
(1.Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.School of Computer&Electronic Information,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China)

Focused on the time-varying property of the transmit beampattern of the frequency diverse array,a static transmit beamforming method is proposed to control the beampattern of the pulsed frequency diverse array,and the characteristics of its radiating pattern are studied.With a tiny progressive incremental frequency shift applied between the adjacent antenna elements,a range-angle dependent radiating pattern is achieved.Compared with the conventional phased array,the frequency diverse array is low in price and small in complexity without the use of phase shifters,which enables it to be suitable for the miniaturization design of an array antenna.Moreover,its range-angle dependent characteristic significantly enhances the flexibility of antenna beam scanning.Simulation experiments demonstrate the effectiveness of the proposed method.

frequency diverse array;pulse configuration;radiation pattern;beam scanning;rangeangle dependent

TN820

A

1001-2400(2016)05-0041-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.008

2015-09-01 網絡出版時間:2015-12-10

國家自然科學基金資助項目(61571356,61461007)

徐艷紅(1989-),女,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:yanhongxuxidian@163.com.

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.016.html