分布式孔徑相參合成雷達聯合天線增益分析

周寶亮周東明 高紅衛 楊 杰

(北京無線電測量研究所 北京 100039)

分布式孔徑相參合成雷達聯合天線增益分析

周寶亮*周東明 高紅衛 楊 杰

(北京無線電測量研究所 北京 100039)

分布式孔徑相參合成雷達通過多雷達發射電磁波空間功率合成，實現遠距離大威力探測；通過多雷達空域擴展，實現目標角度高精度測量。分布式孔徑相參合成雷達具有生存能力強、效費比高、角分辨率高、擴展性強、實現性好等技術優勢。該文首先對無方向性多點輻射源聯合天線增益進行了分析，給出了理論推導和仿真分析；然后建立分布式陣列幾何模型，分別分析了聯合天線方向圖和聯合天線增益，得出了聯合天線增益近似等于單元雷達數目與單元雷達增益乘積的結論；最后，利用HFSS軟件進行了聯合天線增益仿真，進一步驗證了聯合天線增益分析結論。

分布式；相參合成；聯合天線；增益分析

1 引言

分布式孔徑相參合成雷達是一種通過中心控制處理系統控制多個單元雷達實現電磁波空間能量合成的雷達系統[1,2]，如圖1所示。各單元雷達按一定的基線準則與布陣理論進行陣列布局，由中心控制

處理系統統一控制調配，波束指向相同區域，并在中心控制處理系統控制下進行收發相參工作，實現收發信號全相參，實現目標遠距離搜索發現和高精度跟蹤測量[3]。分布式孔徑相參合成雷達技術是解決平臺約束與探測性能矛盾的有效手段，具有生存能力強、效費比高、角分辨率高、擴展性強、實現性好等技術優勢，是雷達領域重要的發展方向[4–8]。

本文將在分布式孔徑相參合成雷達體制下對聯合天線增益進行分析和討論。首先針對無方向性點源天線模型進行了聯合天線增益分析，給出了理論推導和仿真結果；在此基礎上建立了分布式孔徑線陣模型，分別給出了單元方向圖、聯合孔徑方向圖和聯合孔徑增益仿真結果；最后，借助電磁仿真軟件HFSS，構建了兩單元分布式孔徑相參合成雷達系統模型，進一步分析了聯合孔徑天線增益，并給出了分析結論。

圖1 分布式孔徑相參合成雷達示意圖Fig.1 Distributed aperture coherence-synthetic radar

2 多點源天線聯合增益分析

方向性系數D和增益G是表征天線輻射功率集中程度的重要參數，方向性系數定義為在總輻射功率相同的情況下，主瓣最大方向上的功率密度與全空間的平均功率密度之比，數學表達式為[9,10]：

增益G等于方向性系數乘以天線效率[11]，即

天線方向性系數側重于天線輻射功率集中程度的理論指標，而增益則側重于天線輻射功率集中程度的工程實現指標，由于天線效率不會對本文的分析結果產生影響，因此，本文不對天線方向性系數和增益做特殊區分。

設分布式孔徑相參合成雷達由N個無方向性的相同點輻射源天線組成，各天線單元間距為d，呈直線排布，多點源天線聯合方向圖表達式為：

對式(5)進行歸一化處理，得到

為驗證多點源天線聯合增益特征，在滿足式(7)的條件下改變各天線單元間距d和單元雷達個數N，設雷達工作頻率為10 GHz，且各單元雷達等間距排布，仿真結果如圖2所示。

通過圖2可以發現，隨著單元雷達間距的增加，多點源天線聯合增益從劇烈震蕩慢慢趨于穩定，且多點源天線聯合增益的震蕩強度隨著單元雷達數目的增多而增強，但最終趨于的穩定值與單元雷達數目相等。結合實際應用，單元雷達間距通常在米量級以上，即X波段大于30倍波長，C波段大于15倍波長，此時，聯合天線增益趨于穩定值，受單元雷達間距影響較小，與單元雷達數目和單元雷達天線增益有關，近似表達式為：

圖2 多點源天線聯合增益仿真結果Fig.2 Multipoint source antenna joint gain simulation results

其中，Nr為單元雷達個數，G0為單元雷達天線增益。

3 分布式陣列聯合天線增益分析

3.1 聯合天線方向圖

3.1.1 分布式陣列幾何關系 陣列天線的結構形式是多種多樣的，最基本的形式是1維線陣，以兩單元雷達為例，對聯合天線方向圖及聯合天線增益進行分析。如圖3所示為分布式陣列天線幾何關系，單元雷達間距為D1，單元雷達陣元個數為N，陣元間距為d，方位掃描角為，波束指向角為。

3.1.2 單元雷達方向圖 單元雷達線陣天線方向圖函數表達式為：

單元雷達方向圖仿真結果如圖4所示，仿真參數為：陣元個數為25個，陣元間距為半波長，發射信號載頻為10 GHz。

3.1.3 聯合天線方向圖 以單元雷達1為基準，陣元編號為，單元雷達2陣元編號為，兩單元雷達聯合天線方向圖為：

當分布式孔徑相參合成雷達由多部單元雷達組成時，根據方向圖相乘原理，分布式陣列聯合天線方向圖可表示為陣因子與單元雷達天線方向圖的乘積形式，表達式為：

圖3 分布式陣列天線幾何關系Fig.3 Distributed array antenna geometric relationship

圖4 單元雷達天線方向圖Fig.4 Unit radar antenna pattern

聯合天線方向圖仿真結果如圖5所示，單元雷達陣元數為25，圖5(a)為雷達間距D1=10倍波長時的聯合天線方向圖，圖5(b)為雷達間距D1=50倍波長時的聯合天線方向圖，通過圖形可以發現，隨著雷達間距D1的不斷增加，聯合天線方向圖的柵瓣也將越來越多。

為了進一步驗證聯合天線方向圖柵瓣情況，利用C波段相控陣體制分布式孔徑相參合成雷達原理樣機進行了變基線聯合天線方向圖測試試驗，雷達原理樣機實物如圖6所示。

試驗中改變兩個天線相位中心的基線長度，測試不同基線長度下的聯合天線方向圖。如圖7和圖8所示，分別給出了基線間距為1.229 m和2.116 m條件下聯合天線方向圖實測結果和仿真結果，對比試驗數據與仿真結果，柵瓣位置基本吻合，柵瓣數目相同，且基線距離越大，柵瓣數量越多，柵瓣間距越小。

柵瓣是否會對雷達的聯合天線增益產生影響，多單元雷達聯合增益是否會隨單元雷達間距的變化而變化，3.2節將做進一步分析。

圖6 雷達原理樣機Fig.6 Radar prototype

圖7 聯合天線方向圖(D1=1.229 m)Fig.7 Joint antenna pattern (D1=1.229 m)

圖8 聯合天線方向圖(D1=2.116 m)Fig.8 Joint antenna pattern (D1=2.116 m)

3.2 聯合天線增益

根據圖3建立的分布式陣列天線幾何模型，可計算出兩單元雷達線陣聯合天線方向圖為：

對聯合天線方向圖進行歸一化處理，有

將式(15)代入式(7)即可獲得兩單元雷達的聯合天線增益，但由于聯合天線增益表達式的積分項求解十分復雜，因此，本文采用數值積分法進行仿真計算，仿真結果如圖9所示。

通過圖9可以發現，當單元雷達間距大于一定波長倍數時，聯合天線增益趨于穩定值，近似為單元雷達增益的2倍，此結果與點源天線聯合增益仿真結果相符，從側面也反映出柵瓣的產生不會影響聯合天線的增益，具體原因分析為，雖然柵瓣的出現消耗了雷達輻射的功率，但雷達主瓣內的輻射電磁波功率密度是增加的，增加倍數近似等于單元雷達個數。

3.3 基于HFSS軟件的聯合天線增益仿真

本節將使用HFSS仿真軟件對兩單元分布式孔徑相參合成雷達聯合天線增益進行仿真分析。

3.3.1 單元雷達模型 單元雷達為一個4×4陣元的面陣，工作頻段為5 GHz，陣元間距為半波長，陣面口徑為122 mm×144 mm，如圖10(a)所示。單元雷達天線方向圖和增益如圖10(b)所示，單元雷達天線增益為17.9731 dB。

圖9 兩單元雷達聯合天線增益Fig.9 Two unit radar joint antenna gain

圖10 單元雷達仿真模型及天線方向圖Fig.10 Unit radar simulation model and antenna pattern

3.3.2 兩單元分布式雷達模型 利用HFSS仿真軟件構建了兩單元分布式孔徑相參合成雷達系統，單元雷達間距可調，如圖11所示，當單元雷達間距為60 mm時，對應的天線方向圖如圖12所示，兩單元雷達聯合天線增益為21.064 dB，較單元雷達天線增益增加了3.09 dB，約為單元雷達天線增益的2倍(3.01 dB)。

為了從不同雷達間距分析聯合天線增益情況，圖13分別給出了600 mm和3000 mm兩種典型間距聯合天線方向圖，增益分別為21.0613 dB和21.0655 dB，較單元雷達天線增益均增加了3 dB。

如圖14所示為分布式孔徑相參合成雷達不同間距條件下聯合天線增益統計圖，通過圖形可以發現，統計曲線較為平坦，聯合天線增益均值為21.12 dB，相比于單元天線增益17.9731 dB增加了約3 dB，即為單元雷達天線增益的2倍，從而進一步驗證了聯合天線增益受單元雷達間距的影響較小，與單元雷達個數和單元雷達增益有關的結論。

圖11 分布式孔徑相參合成雷達仿真模型Fig.11 Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar simulation model

圖12 聯合天線方向圖Fig.12 Joint antenna pattern

4 結束語

文章首先對多單元點輻射源天線的聯合增益進行了分析，在單元雷達間距大于一定波長倍數時，由多個無方向性的點輻射源天線構成的分布式孔徑相參合成雷達的聯合天線增益趨于穩定，只與單元雷達數目和單元雷達增益有關；然后對兩單元線陣天線的聯合增益進行了分析，討論柵瓣對聯合增益的影響；最后，利用HFSS軟件仿真分析了兩單元陣列雷達的聯合天線增益，進一步驗證了聯合天線增益近似等于單元雷達數目與單元雷達增益乘積的結論。

圖13 聯合天線方向圖Fig.13 Joint antenna pattern

圖14 聯合天線增益統計圖Fig.14 Joint antenna gain statistics

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高紅衛(1980–)，男，博士，研究員，北京無線電測量研究所總體部副主任，從事雷達系統總體設計與信號處理。

E-mail: hwg_ycc@126.com

楊 杰(1985–)，男，工學碩士，工程師，北京無線電測量研究所天線專業研究室，主要研究方向為相控陣雷達天線設計。

E-mail: muyiln@163.com

Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar Joint Antenna Gain Analysis

Zhou Baoliang Zhou Dongming Gao Hongwei Yang Jie
(Beijing Institute of Radio Measurement,Beijing100039,China)

By the synthesis of multi-radar electromagnetic wave space energy,Distributed Aperture Coherencesynthetic Radar (DACR) achieves long-range power detection via multi-radar airspace expansion to realize high-precision target angle measurement.DACR has the advantages of strong survival ability,a high costeffectiveness ratio,high angular accuracy,strong expandability,and easy realization.In this article,we analyze the joint antenna gain of a non-directional multi-point source and,given the theoretical derivation and simulation analysis,we establish a distributed-array-antenna geometric model,analyze the joint antenna pattern and gain,respectively,and determine that the joint antenna gain is approximately equal to the unit radar number and the unit radar gain product.Lastly,we perform a joint antenna gain simulation using HFSS software to further verify the joint antenna gain results.

Distributed; Coherence-synthetic; Joint antenna; Gain analysis

The National Ministries Foundation

TN957.51

A

2095-283X(2017)04-0332-08

10.12000/JR17055

周寶亮,周東明,高紅衛,等.分布式孔徑相參合成雷達聯合天線增益分析[J].雷達學報,2017,6(4):332–339.

10.12000/JR17055.

Reference format:Zhou Baoliang,Zhou Dongming,Gao Hongwei,et al..Distributed aperture coherencesynthetic radar joint antenna gain analysis[J].Journal of Radars,2017,6(4): 332–339.DOI: 10.12000/JR17055.

周寶亮(1985–)，男，博士研究生，工程師，北京無線電測量研究所總體部/研發中心，主要研究方向為分布式相參合成雷達總體技術研究。

E-mail: zbluestc@126.com

周東明(1985–)，男，工學碩士，工程師，北京無線電測量研究所總體部/研發中心，主要研究方向為分布式相參合成雷達總體技術研究。

E-mail: zhoudongming_23@163.com

2017-05-27；改回日期：2017-06-18；網絡出版：2017-07-31

*通信作者： 周寶亮 zbluestc@126.com

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