圓柱陣列與平面陣列輻射性能對比研究

李庭浩,叢友記,牟偉琦,石 磊,黃彩華

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153;2.32212部隊,北京 100093)

0 引 言

雷達通常采用4個平面陣組合或者圓柱面陣方案來實現方位四周掃描功能。平面陣列由于結構簡單、后端處理技術成熟、有源部件易于集成等特點,在工程中得到廣泛應用;圓柱陣列由于天然的方位全向掃描能力,且易于共形等優點,也應用于某些場合。文獻[1]～[5]分別研究了平面陣與圓柱陣列天線的波束綜合、波束形成等技術,但是目前將兩者性能定量對比研究的文獻較少。本文對比研究了兩種陣列天線的輻射性能。

1 電訊仿真研究

假定雷達具有俯仰面掃描±40°、方位面要求360°的掃描能力。實際中圓柱面陣天然具有方位面全向掃描能力,而平面陣相鄰陣面的方位面有波束交互需要,一般單平面陣面的方位面掃描能力要求為±48°左右。模型中的方位面副瓣假定為-18 dB以下,俯仰面不作加權處理。此外,假定平面陣與圓柱陣的各類射頻損耗相同,以下將按此指標對圓柱和平面陣進行設計與仿真對比分析。

1.1 平面陣列設計

為了增大掃描范圍相同時的單元排列間距,選用三角柵格排列,根據掃描范圍將間距定為dx=17 mm,dy=19 mm,單元排列如圖1所示,陣面規模為8×8個通道。陣列方位面采用幅度加權降低副瓣設計,理論加權副瓣為-20 dB,俯仰面不作加權處理。

圖1 平面陣列排列示意圖

對該規模的平面陣列進行性能仿真,結果如表1所示,平面陣面中心頻點的方位面方向圖如圖2所示。

表1 平面陣列天線性能指標表

圖2 平面陣列天線方位面方向圖(中心頻點)

1.2 圓柱陣列設計

按照與平面陣相同的電訊掃描范圍,設計圓柱陣面的半徑為100 mm,俯仰面8行單元,圓周向共有32列天線單元,即圓柱陣列規模為8×32個通道。天線單元的行間距dz=19.5 mm,圓周向相鄰單元間隔角度為11.25°。由于圓柱面天然的周向均勻性,該陣面具有在方位面360°范圍內掃描方向性系數幾乎不下降的特點(忽略相鄰列單元間隔角度之間的掃描下降),因此對于圓周向僅考慮某個掃描狀態。為了比較柱面單元矩形柵格與三角柵格排列性能的差異,仿真兩種不同排列形式的圓柱陣列,如圖3所示。

(a)正視圖(矩形柵格)

對于此規模的圓柱陣,仿真不同頻點下的矩形柵格與三角柵格排列的陣面性能,分別如表2、表3所示,三角柵格排列的圓柱陣面中心頻點的方位面方向圖如圖4所示。

表2 圓柱陣面性能匯總表(矩形柵格)

表3 圓柱陣面性能匯總表(三角柵格)

圖4 三角柵格排列圓柱陣面方位面方向圖(中心頻點)

圖5 圓柱陣面與四面平面陣尺寸對比圖

可以看出:采用三角柵格后,同樣的掃描范圍其俯仰間距可以布得更大,從而獲得更大的增益,大約較矩形柵格排列大0.3 dB。

1.3 性能對比

考慮到平面陣列工程實際中布陣時的邊緣效應,其陣面邊框應距離邊緣單元半波長以上,建立了兩種形式的陣面模型尺寸對比,如圖 5所示。可以看出:四個平面陣與圓柱陣面尺寸大體相當。圓柱陣面與單個平面陣橫向的幅相分布如圖6所示,兩種陣列的縱向幅相分布相同。

(a)幅度

在圖6所示的幅相激勵分布下,當射頻通道規模相同時,4個平面陣組合形成的全向掃描雷達法向增益較圓柱陣約小1.0 dB,若考慮平面陣方位掃描45°時的增益下降1.3 dB,則圓柱陣面增益較平面陣大2.3 dB。由此可知:首先,在相同的增益指標下,圓柱陣面規模可以較平面陣設計得更小,省去一些射頻通道,從而降低成本;其次,當雷達波束形成時,對于本平面陣僅有64個通道參與合成,而圓柱陣面則有80個通道激勵合成,圓柱陣面的激勵功率將較平面陣大0.76 dB,因此圓柱陣面的孔徑功率積較平面陣要大3.1 dB。

2 結束語

本文對比研究了當前工程中圓周電掃描的兩種天線面陣方案——四面平面陣與圓柱陣的輻射性能。在陣面有源通道數與掃描范圍相同的前提下,對兩種方案進行了陣面設計與性能預估。仿真計算表明,相同射頻通道數下圓柱陣面增益較平面陣大2.3 dB,圓柱陣面的孔徑功率積較平面陣大3.1 dB,因此在相同的增益指標下,圓柱陣面規模可以較平面陣設計得更小。在工程應用中是采用圓柱陣或四面平面陣,還須綜合考慮結構設計、成本以及后端處理難度等因素。