幅相誤差對光控相控陣雷達二維波束掃描的影響研究

劉 飛,張 鴻

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

隨著軍事高技術的發展,對作戰空間及其信息的控制已成為贏得戰爭的關鍵,而對作戰空間電磁態勢的感知是制信息權的基礎[1-2]。其中雷達作為態勢感知最重要的手段,對信息戰的勝負起著至關重要的作用。為了適應日益復雜的電磁戰場,對雷達能觀測目標的種類、測量的參數等都提出了許多新要求,并且還應具備探測隱身目標、低小慢目標,在強雜波、強干擾和硬打擊條件下工作的能力[3-5]。

相控陣雷達技術為解決上述問題提供了很大的技術潛力,因而其發展受到國內外普遍的重視。目前,相控陣雷達技術[6-9]己廣泛應用于幾乎所有類型的軍用雷達。盡管相控陣雷達技術具有眾多的技術和戰術性能優勢,但是由于受到陣列孔徑渡越時間的限制,只能工作在相對窄的信號帶寬下,因而限制了其在復雜電磁環境中的應用,很難滿足諸如目標識別以及成像等對寬帶信號的需求。

而光控相控陣雷達[10-12]采用光電子技術,通過光延時方法來抵消孔徑渡越時間,因此具有大瞬時帶寬掃描工作的能力,并且隨著光子集成技術的發展,也可以滿足相控陣雷達對小型化和低功耗的發展需求。因此,光控相控陣雷達能夠適應和滿足現代戰爭對雷達全方位、高性能的發展要求,成為相控陣雷達發展的一個重要方向。本文針對光控相控陣雷達由于目前光器件研制水平帶來的幅相不一致性,開展相關的研究。

1 光控相控陣雷達二維掃描的基本原理

設光控相控陣雷達二維陣列由M行和N列組成,總共M×N個單元,行間距和列間距分別為dx和dy。若波控指向方位角φ0,俯仰平面與Z軸夾角為θ0,其示意圖如圖1所示。

根據二維波束形成的原理[13],可以得到二維陣列的天線方向圖為:

圖1 二維陣列示意圖

采用如表1所示的參數進行仿真。

圖2為θ0=45°,φ0=0°時,傳統基于移相掃描的不同頻率下的天線方向圖,由圖可以看出,波束指向角隨著頻率的變化而變化,也即出現波束偏斜的現象,這說明基于移相掃描的相控陣的使用帶寬有限,不能在寬帶情況下使用。

表1 仿真參數

圖2 θ0=45°,?0=0°時,基于移相掃描的不同頻率天線方向圖

圖3 為θ0=45°,?0=0°時,光控相控陣不同頻率下的天線方向圖,由圖可以看出,波束指向角不隨頻率的變化而變化,因此不存在波束偏斜的現象,這說明基于光控掃描的陣列天線可以在寬帶情況下使用。

圖3 θ0=45°,?0=0°時,光控相控陣在不同頻率下的天線方向圖

2 光控相控陣雷達幅相誤差的產生

光控相控陣雷達采用了光纖延時鏈路,其傳輸特性的幅度和相位頻率特性并非是理想的,因此必然存在著幅度和相位誤差帶來的影響。總的來說這些誤差可以分為兩大類:幅相隨機誤差、延時量化誤差。

2.1 隨機幅相誤差

隨機幅相誤差主要是由光控相控陣雷達各通道光鏈路幅相不一致帶來的,包括各通道激光器、調制器、光波束形成網絡、光耦合器和光探測器等器件的不一致性。一般來說,隨機幅相誤差可以用一個零均值的高斯分布來表示。由隨機誤差引起的平均副瓣電平可由下式進行計算[13]:

2.2 延時量化誤差

在光控相控陣雷達中,光波束形成網絡是其核心模塊,目前光波束形成網絡大都采用基于光開關對光路進行切換的方案[14-15],其結構形式如圖4所示。它包括N個光開關和N個不同時延長度的光纖,從而構成具有2N個時延單位的N位的時延網絡。圖中光開關1,光開關2,…,光開關N,它們在波控信號控制下可以處于延時和不延時2種狀態,通過所有開關不同延時狀態的組合,可以實現0到2N-1△τ范圍內的2N個延時,其延時跳變單位為△τ。顯然,這種結構的光延時網絡除了需要2×2光開關和延時光纖外,不需要多個激光器和探測器,所以結構簡單,插損較小,且延時長度和時延跳變單位完全由延時光纖的時延長度值和開關個數決定,此外還易于集成。

圖4 基于光開關切換的光波束形成網絡

在實際使用中,光相控陣雷達一般采用子陣延時,但這種延時是離散的,因此會出現延時量化造成的副瓣抬高和指向偏斜,而且當延時位數過少或光學真延時(OTTD)的時延步長過大時,將使得相鄰區域內的波束不可分辨。

3 光控相控陣雷達幅相誤差的仿真分析

3.1 隨機幅相誤差的影響仿真分析

圖5為基于光控陣列的天線在不同隨機幅度誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,隨著幅度誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸升高。當幅度誤差為±2 d B時,幅度誤差對天線方向圖的影響不大,此時,平均副瓣電平為-35 dB;當幅度誤差增大到±5 d B時,平均副瓣電平為-25 d B;當幅度誤差為±10 dB時,平均副瓣電平為-18 dB。

圖6為基于光控陣列的天線在不同隨機相位誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,隨相位誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸升高。當相位誤差為±5°時,隨機相位誤差對天線方向圖的影響不大,平均副瓣電平為-35 dB;當相位誤差增大到±10°時,平均副瓣電平為-30 dB;當相位誤差為±20°時,平均副瓣電平為-27 dB。

圖5 基于光控陣列的不同隨機幅度誤差下的誤差分布和天線方向圖

圖6 基于光控陣列的不同隨機相位誤差下的誤差分布和天線方向圖

圖7 為基于光控陣列的天線在不同幅相隨機誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,當幅度誤差為±2 d B、相位誤差為±5°時,幅相隨機誤差對天線方向圖的影響不大;隨著幅相誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸抬高,從而影響天線性能;當幅度誤差為±10 dB,相位誤差為±20°時,平均副瓣電平為-17 d B。

圖7 基于光控陣列的不同隨機幅相誤差下的誤差分布和天線方向圖

因此,為了減小隨機幅相誤差的影響,必須對各通道激光器、調制器、光波束形成網絡、光耦合器和光探測器等器件進行篩選,并在通道間引入幅相補償模塊,實時補償幅相誤差的影響。

3.2 延時量化誤差的影響仿真分析

圖8是基于光控掃描的陣列天線在延時量化位數為2 bit、4 bit、6 bit時的天線方向圖。由圖可以看出,相位量化誤差越大,旁瓣越高;當量化位數為6位時,量化誤差的影響基本可以忽略。

因此,在進行光控相控陣的設計時,必須綜合考慮,選擇合適的延時量化位數,從性能和成本進行折衷。

4 結束語

本文針對目前微波光子器件和延時量化帶來光控相控陣雷達幅相誤差,開展仿真研究。首先分析了光控相控陣雷達二維波束掃描的基本原理,然后對幅相誤差產生的原因進行了分析研究,最后重點進行了仿真研究。本論文的研究可為光控相控陣雷達的設計提供一定的參考意義。

圖8 基于光控掃描的不同延時量化位數下的天線方向圖