陣元失效的共形相控陣天線性能評(píng)估研究

王 濤，陳學(xué)軍，李澤西，劉軍鋒，王 戈，鄧德鑫，辛 鑫

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710032)

0 引言

相控陣天線具有波束指向和波束形狀快速變化的能力,易于形成多個(gè)波束,廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域。然而,平面相控陣在應(yīng)用過(guò)程中存在波束方位角方向上無(wú)法完全覆蓋180°范圍、天線的幅度增益和方向圖等特性隨著掃描角改變、方向圖主瓣寬度隨掃描角偏離陣列法線方向的角度變大逐漸變寬、陣列分辨率也隨之下降等不足。

為了提高相控陣天線的性能,研究人員提出了共形相控陣天線概念。共形相控陣嚴(yán)格來(lái)說(shuō)指的是陣列結(jié)構(gòu)與一個(gè)已預(yù)設(shè)定好的形狀共形,廣義上來(lái)說(shuō)指的是陣列中的陣元安置于一平滑的平面或曲平面上。為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的在軌航天器測(cè)控管理需求,研究人員將共形相控陣天線技術(shù)應(yīng)用于航天器測(cè)控領(lǐng)域,提出了全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)采用球面相控陣天線與數(shù)字多波束形成技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)空間多個(gè)目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的功能,是目前最先進(jìn)的測(cè)控系統(tǒng)之一,代表了未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。球面共形相控陣天線具有對(duì)于目標(biāo)跟蹤可平滑過(guò)渡、相位中心唯一、球面掃描增益一致等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是陣面復(fù)雜,對(duì)于陣列天線通道標(biāo)校和校準(zhǔn)、多數(shù)字波束形成、天線裝配工藝、測(cè)試和維護(hù)等均提出了挑戰(zhàn)。

1998年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室Boris Tomasic提出了網(wǎng)格球頂相控陣天線(Geadesic Dome Phased Arrary Antenna,GDPAA)方案[2],這是一種高效、多功能、低成本的球面陣列天線,由大量的子陣列拼接成一個(gè)球面,直徑10 m,可工作在L和S頻段[3]。2006年11月—2009年10月,美軍開(kāi)展了GDPAA-ATD項(xiàng)目,完成了GDPAA原型樣機(jī)研制和驗(yàn)證[1]。美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心計(jì)劃在2017年完成第一個(gè)全尺寸GDPAA的工程化,但截至目前無(wú)相關(guān)公開(kāi)報(bào)道。2007年,歐空局開(kāi)發(fā)了一種網(wǎng)格球頂陣列天線(Geodesic Dome Array Actenna,GEODA)的多波束測(cè)控天線[4],該天線可以同時(shí)跟蹤8 顆衛(wèi)星,工作在1.7 GHz 的L頻段[5]。2020年8月,美國(guó)洛克希德·馬丁公司成功完成了多波束多任務(wù)(MBMM)天線的相控陣傳輸測(cè)試,并期待后續(xù)對(duì)該相控陣能力進(jìn)行完整的端到端任務(wù)演示。美國(guó)空軍計(jì)劃將MBMM天線納入美國(guó)空軍的衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò),用于對(duì)美國(guó)國(guó)防部的衛(wèi)星進(jìn)行操作和維護(hù)。

與此同時(shí),共形相控陣天線技術(shù)一經(jīng)提出也受到國(guó)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)展了大量工作。在文獻(xiàn)[6-9]中,重點(diǎn)對(duì)全空域球面相控陣天線的基本原理、波束形成方法、波束控制方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10-16]對(duì)全空域球面相控陣天線的角跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)與角跟蹤方法、波束合成的頻響特性、零點(diǎn)約束方向圖綜合方法、過(guò)頂跟蹤方法和波束形成器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,為共形相控陣多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。與此同時(shí),文獻(xiàn)[17]對(duì)空域全數(shù)字相控陣測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[18]對(duì)數(shù)字多波束形成與波束跟蹤算法進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[19]對(duì)子陣級(jí)寬帶數(shù)字多波束形成技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)不懈努力,國(guó)內(nèi)全空域球面相控陣天線技術(shù)研究已領(lǐng)先國(guó)外,且相關(guān)技術(shù)已得到實(shí)際應(yīng)用。

目前,球面共形相控陣天線用到的陣元數(shù)達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè),其后的波束形成模塊,包括信道設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳輸及波束形成算法極其復(fù)雜。全空域相控陣測(cè)控系統(tǒng)采用球面共形布陣,所用天線陣元數(shù)目龐大,這就使得系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度非常大。與傳統(tǒng)天線不同,全空域共形相控陣天線采用陣元合成波束,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的連續(xù)測(cè)控,當(dāng)陣元出現(xiàn)失效后,將直接影響波束合成的性能,但是影響程度如何,是否會(huì)影響當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行,目前尚缺乏研究。同時(shí),共形相控陣天線工作過(guò)程中,陣元失效后因無(wú)任務(wù)空閑時(shí)間,難以對(duì)失效陣元進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)。

為了更好地掌握球面共形相控陣天線波束合成的性能,為系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為更好地指導(dǎo)全空域球面共形相控陣天線的維護(hù),首先,基于數(shù)字波束形成技術(shù)建立系統(tǒng)波束形成仿真模型,并通過(guò)Matlab軟件完成模型實(shí)現(xiàn);其次,分析均勻和集中2種方式下,不同數(shù)量陣元失效對(duì)于天線波束合成質(zhì)量的影響;最后,開(kāi)展球面相控陣多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)天線陣元失效外場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)比分析天線陣元失效理論分析結(jié)果與外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)球面相控陣多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)陣元失效理論分析方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)

球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)是共形相控陣天線技術(shù)與數(shù)字多波束形成技術(shù)在測(cè)控系統(tǒng)中的首次應(yīng)用,具備空間多個(gè)目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的能力,如圖1所示。

圖1 全空域多目標(biāo)測(cè)控Fig.1 Multi-target TT&C in full airspace

1.1 系統(tǒng)基本原理

球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)相控陣天線完成目標(biāo)信號(hào)的接收,采用數(shù)字多波束技術(shù)同時(shí)形成多個(gè)波束,實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)測(cè)控,系統(tǒng)基本原理框圖如圖2所示。

圖2 球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of spherical conformal phased array antenna TT&C system

球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)主要由陣列天線及射頻分系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)、測(cè)試標(biāo)校分系統(tǒng)、記錄分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)及健康管理分系統(tǒng)組成。陣列天線及射頻分系統(tǒng)主要由天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、天線射頻子系統(tǒng)、波束形成與控制子系統(tǒng)及中頻數(shù)字開(kāi)關(guān)矩陣等構(gòu)成,主要完成目標(biāo)信號(hào)的接收、處理并形成多個(gè)波束;多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)主要包含基帶設(shè)備,完成各個(gè)波束的信號(hào)處理;監(jiān)控分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”,完成全系統(tǒng)的控制,保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行;時(shí)頻分系統(tǒng)主要為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)和頻綜信號(hào),保證系統(tǒng)各項(xiàng)信號(hào)梳理功能同步并正常;測(cè)試標(biāo)校分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)安裝聯(lián)試過(guò)程功能調(diào)試和功能指標(biāo)測(cè)試;記錄分系統(tǒng)主要完成目標(biāo)信號(hào)的記錄,為故障排查提供支持;數(shù)據(jù)交互分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)與用戶單位間信息交互;健康管理分系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)所有分機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視、故障的診斷與預(yù)測(cè)等。

1.2 球面共形陣列天線結(jié)構(gòu)

球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)采用球形共形陣列天線,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。陣元分別形成收發(fā)組件,收發(fā)組件均勻分布在陣面上。

圖3 球面共形相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)天線Fig.3 Antenna of spherical conformal phased array antenna TT&C system

系統(tǒng)天線子陣包含4條接收組件和4條發(fā)射組件,每條組件包含8個(gè)陣元。系統(tǒng)天線子陣內(nèi)收發(fā)組件共4種排列方式:第1種為接收組件-發(fā)射組件交替豎向排列;第2種為發(fā)射組件-接收組件交替豎向排列;第3種為接收組件-發(fā)射組件交替橫向排列;第4種為發(fā)射組件-接收組件交替橫向排列。

共形相控陣天線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電波束全空域覆蓋,具有對(duì)于目標(biāo)跟蹤可平滑過(guò)渡、相位中心唯一、球面掃描增益一致等優(yōu)點(diǎn)[7]。同時(shí),天線在跟蹤目標(biāo)過(guò)程中不依賴機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤,具有波束指向的瞬時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1.3 數(shù)字波束形成技術(shù)

數(shù)字波束形成技術(shù)是自適應(yīng)波束形成與先進(jìn)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來(lái),它是軟件天線指向性接收的基礎(chǔ)[18]。數(shù)字波束形成是把天線輸出的信號(hào)經(jīng)放大、下變頻器變換為中頻或基帶信號(hào)后,進(jìn)行模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換,然后送到數(shù)字多波束形成器的信號(hào)處理單元完成對(duì)各路信號(hào)的復(fù)加權(quán)處理,最后形成所需的波束信號(hào)。

陣列天線接收機(jī)體制主要有2種方式:超外差接收體制和直接變頻體制[6-7]。二者的區(qū)別在于將接收信號(hào)下變頻到基帶信號(hào)所用的變頻鏈路不同,直接變頻體制采用一級(jí)變頻,超外差接收體制采用二級(jí)變頻。超外差接收體制降低了對(duì)于AD采樣的要求,但提高了信道的復(fù)雜度,同時(shí)受射頻移相精度限制,降低了波束指向精度,導(dǎo)致旁瓣升高,不利于多目標(biāo)多波束形成。因此,本系統(tǒng)采用直接射頻采樣接收體制實(shí)現(xiàn)的數(shù)字波束形成,基本流程如圖4所示。

圖4 數(shù)字波束形成流程Fig.4 Digital beamforming process

圖4中,M表示形成波束數(shù)目,采用直接射頻采樣數(shù)字波束合成具有如下優(yōu)點(diǎn):① 省去了下變頻鏈路,簡(jiǎn)化了陣列天線結(jié)構(gòu),便于實(shí)現(xiàn)集成化;② 形成靈活的可擴(kuò)展模塊,可擴(kuò)展為行波束形成、列波束形成、子陣波束形成及陣面波束形成等模塊;③ 采用數(shù)字化,可靈活形成多波束;④ 容易形成零陷,抗干擾性強(qiáng)。

陣元在球面上均勻分布,如圖5所示(圖中僅畫(huà)出第n環(huán))[7-8]。

圖5 共形球面陣Fig.5 Conformal spherical array

第m個(gè)陣元坐標(biāo)為(xmn,ymn,zmn),則:

(1)

(2)

式中:λ為波長(zhǎng),ωmn為加權(quán)系數(shù),陣元參與波束合成時(shí)ωmn為1,反之為0,θ為目標(biāo)方位角,φ為俯仰角。

因信號(hào)到達(dá)不同陣元的距離存在偏差,為保證各個(gè)陣元信號(hào)能夠順利形成波束,需要對(duì)不同陣元的相位進(jìn)行補(bǔ)償,共形陣相位補(bǔ)償因子為:

(3)

式中:θT為陣元T對(duì)應(yīng)的方位角,φT為對(duì)應(yīng)的俯仰角。以上分析中的坐標(biāo)(xmn,ymn,zmn)既可表示陣元的坐標(biāo),也可表示第m個(gè)子陣的坐標(biāo)。

2 共形相控陣天線失效仿真評(píng)估

2.1 共形相控陣天線失效評(píng)估方法

為了有效評(píng)估相控陣天線陣元失效對(duì)天線波束合成性能的影響,提出一種基于仿真分析的全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)天線陣元失效評(píng)估方法,如圖6所示。

圖6 球面共形相控陣測(cè)控系統(tǒng)天線失效評(píng)估方法Fig.6 Damage evaluation method for spherical conformal phased array TT&C system

首先,基于數(shù)字波束合成技術(shù)建立系統(tǒng)天線波束合成的仿真模型,并基于Matlab完成系統(tǒng)波束合成仿真模型,為天線陣元失效評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

其次,選擇天線增益、歸一化旁瓣和歸一化柵瓣等指標(biāo),作為衡量波束合成的主要性能指標(biāo)。基于建立的天線波束合成仿真模型,分析參與波束合成天線陣元在集中失效和均勻失效情況下,不同數(shù)目陣元失效對(duì)于波束合成性能的影響。

最后,開(kāi)展天線陣元失效外場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn),對(duì)基于仿真分析的全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)天線陣元失效分析方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,并分析試驗(yàn)結(jié)果,掌握系統(tǒng)的作戰(zhàn)指標(biāo)性能底數(shù)。

2.2 接收陣元失效仿真評(píng)估

選擇等效口徑5.5 m的球面陣作為研究對(duì)象,天線接收和發(fā)射分置,天線陣包含472個(gè)天線子陣,每個(gè)子陣包含32個(gè)接收陣元和32個(gè)發(fā)射陣元。選擇S頻段中心頻點(diǎn)2.25 GHz作為仿真頻點(diǎn)[14],對(duì)接收天線波束合成進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上,分析參與波束合成的陣元在集中失效分布和均勻失效分布方式下,不同數(shù)量陣元失效對(duì)波束合成的影響。

在使用舊建筑風(fēng)格設(shè)計(jì)建筑設(shè)施時(shí)，需要注重經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)盡可能地減少施工的成本費(fèi)用，減少建筑設(shè)施的維修運(yùn)行費(fèi)用。按因地制宜的原則合理使用地方建筑材料，在確保安全兼具美觀的前提下最大限度地降低工程費(fèi)用。

以S頻段下行頻率中心頻點(diǎn)2.25 GHz為仿真頻率,在0°方位上,分析5°、45°、90°俯仰條件下的波束合成,仿真得到不同頻點(diǎn)和俯仰條件下的方向圖。因仿真得到的方向圖較多,此處僅給出中心頻點(diǎn)2.25 GHz在45°俯仰條件下的方向圖,如圖7所示,圖中X為方位角,Y為俯仰角,Z為信號(hào)幅度。

(a) 三維立體方向圖

(b) 方位面方向圖

(c) 俯仰面方向圖圖7 2.25 GHz接收波束在(0°,45°)的方向圖Fig.7 Receiving beam patterns in direction (0°, 45°) at 2.25 GHz

分析不同頻點(diǎn)在不同俯仰條件下的方向圖仿真結(jié)果,得到波束合成的主要指標(biāo)仿真結(jié)果如表1所示,主旁瓣比指主瓣增益與第一旁瓣增益之差,第一旁瓣如圖7(c)中(43.6, 20.05)所示。主柵瓣比指主瓣增益與最大柵瓣增益之差,柵瓣如圖7(a)中(44, -13, 18.93)所示。

表1 接收波束主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indicators of receiving beam

在球面相控陣天線波束合成的過(guò)程中,根據(jù)目標(biāo)方位60°范圍覆蓋天線陣元為參與波束合成的陣元,其對(duì)波束合成的權(quán)值為“1”,未參與波束合成陣元權(quán)值為“0”,通過(guò)將參與波束合成陣元的狀態(tài)由“1”更改為“0”,模擬陣元失效。在不同方位下,分別模擬相控陣天線陣元5%、10%、20%均勻失效和集中失效,其中天線陣元均勻失效指失效陣元均勻分布在參與波束合成的陣元中,集中失效是指以目標(biāo)指向?yàn)橹行?相鄰的天線陣元出現(xiàn)失效。通過(guò)仿真分析得到不同失效條件下相控陣天線波束合成的方向圖,從而分析天線陣元失效對(duì)于波束合成的影響。因仿真方向圖較多,此處僅給出中心頻點(diǎn)2.25 GHz在(0°,45°)方向陣元集中失效方式下波束合成方向圖,如圖8～圖10所示,紅色曲線為陣元失效后方向圖曲線,藍(lán)色曲線為正常狀態(tài)下方向圖曲線。

(a)方位面方向圖

(b)俯仰面方向圖圖8 5%陣元集中失效時(shí)合成波束方向圖Fig.8 Formed beam patterns when 5% of the array elements fail concentratedly

(a)方位面方向圖

(b)俯仰面方向圖圖9 10%陣元集中失效時(shí)合成波束方向圖Fig.9 Formed beam pattern when 10% of the array elements fail concentratedly

(a)方位面方向圖

(b)俯仰面方向圖圖10 20%陣元集中失效時(shí)合成波束方向圖Fig.10 Formed beam pattern when 20% of the array elements fail concentratedly

分析不同俯仰條件下,5%、10%、20%陣元均勻與集中失效下的方向圖,波束合成指標(biāo)如表2和表3所示。

表2 5%、10%、20%陣元均勻失效下接收波束合成主要指標(biāo)Tab.2 Main performance indicators of receiving beam when 5%、10%、20% array elements fail uniformly

表3 5%、10%、20%陣元集中失效下接收波束合成主要指標(biāo)Tab.3 Main performance indicators of receiving beam when 5%、10%、20% array elements fail concentratedly

由表2和表3可知,陣元失效率越大,合成波束主瓣增益下降越多,且陣元均勻失效合成波束增益下降量低于陣元集中失效方式。波束指向俯仰角分別為5°、45°、90°、陣元均勻失效5%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為0.29、0.13、0.18 dB;陣元均勻失效10%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為0.42、0.34、0.47 dB,陣元均勻失效20%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為0.97、0.96、0.96 dB。

波束指向俯仰角分別為5°、45°、90°,陣元集中失效5%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為0.39、0.41、0.41 dB;陣元集中失效10%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為0.79、0.85、0.78 dB;陣元集中失效20%時(shí),接收波束主瓣增益下降量為1.77、1.74、1.47 dB。

陣元失效后,主旁瓣比下降量為正表示陣元失效后旁瓣信號(hào)增強(qiáng),主旁瓣比下降量為負(fù)表示陣元失效后旁瓣信號(hào)減弱。主柵瓣比原理一致,主旁瓣比與主柵瓣比是否下降與失效陣元的位置相關(guān),后續(xù)將針對(duì)性進(jìn)行研究。

2.3 發(fā)射陣元失效仿真評(píng)估

因系統(tǒng)天線收發(fā)組件分置,采用接收天線失效分析方法對(duì)發(fā)射天線失效進(jìn)行分析,系統(tǒng)天線子陣中包含4條發(fā)射組件,與接收組件交替放置,每條組件包含8個(gè)陣元,如圖4所示。

參照文獻(xiàn)[14],以S頻段上行頻率中心頻點(diǎn)2.07 GHz為仿真頻率,在0°方位上,分析5°、45°、90°俯仰條件下的波束合成,仿真得到不同頻點(diǎn)和俯仰條件下的方向圖。因仿真得到的方向圖較多,此處僅給出中心頻點(diǎn)2.07 GHz在45°俯仰條件下的方向圖,如圖11所示。

(a)三維立體方向圖

(b)方位面方向圖

(c)俯仰面方向圖圖11 2.07 GHz發(fā)射波束在(0°,45°)的方向圖Fig.11 Transmiting beam patterns in direction (0°, 45°) at 2.07 GHz

方向圖的第一旁瓣如圖11(c)中(43.5,55.35)所示,柵瓣如圖11(a)中(44, 14, 51.44)所示。分析不同頻點(diǎn)在不同俯仰條件下的方向圖仿真結(jié)果,得到波束合成的主要指標(biāo)仿真結(jié)果如表4所示。

表4 發(fā)射波束主要性能指標(biāo)Tab.4 Main performance indicators of transmitting beam

在不同方位下,分別模擬相控陣天線陣元5%、10%、20%均勻失效和集中失效,仿真不同失效條件下相控陣天線波束合成的方向圖,從而分析陣元失效對(duì)于波束合成的影響。

經(jīng)過(guò)仿真分析可知,陣元失效率越大,合成波束主瓣增益下降越多,且陣元均勻失效合成波束增益下降量低于陣元集中失效方式。波束指向俯仰角分別為5°、45°、90°,陣元均勻失效5%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量為0.54、0.36、0.39 dB;陣元均勻失效10%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量為0.8、0.74、0.91 dB;陣元均勻失效20%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量為1.94、1.93、1.91 dB。

波束指向俯仰角分別為5°、45°、90°,陣元集中失效5%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量為0.74、0.74、0.73 dB;陣元集中失效10%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量分別為1.41、1.33、1.46 dB;陣元集中失效20%時(shí),發(fā)射波束主瓣增益下降量分別為3.02、3、2.86 dB。

陣元失效后,主旁瓣比下降量為正表示陣元失效后旁瓣信號(hào)增強(qiáng),主旁瓣比下降量為負(fù)表示陣元失效后旁瓣信號(hào)減弱。主柵瓣比原理一致,主旁瓣比與主柵瓣比是否下降與失效陣元的位置相關(guān),后續(xù)將針對(duì)性進(jìn)行研究。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

采用對(duì)塔測(cè)試方式,對(duì)全空域球面相控陣天線陣元失效對(duì)波束合成性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試,天線等效口徑5.5 m,與仿真分析天線模型完全一致。受標(biāo)校塔高度所限,對(duì)塔方向波束指向俯仰為1.8°。通過(guò)關(guān)閉陣元的供電的方式模擬陣元均勻失效和集中失效,失效比例分為5%、10%、20%。發(fā)射天線陣元失效測(cè)試時(shí),地面發(fā)射2.07 GHz單載波信號(hào),塔上利用頻譜儀測(cè)試接收信號(hào)電平大小。接收天線陣元失效測(cè)試時(shí),塔上發(fā)射2.25 GHz單載波信號(hào),地面利用頻譜儀測(cè)試設(shè)備接收信號(hào)電平大小。通過(guò)測(cè)試陣元失效前后上下行信號(hào)強(qiáng)度的變化,進(jìn)而評(píng)估陣元失效對(duì)天線合成增益的影響,測(cè)試結(jié)果如表5和表6所示。

表5 發(fā)射相控陣天線陣元失效試驗(yàn)Tab.5 Damage experiments of transmit array antenna elements

表6 接收相控陣天線陣元失效試驗(yàn)Tab.6 Damage experiments of receiving array antenna elements

分析理論仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,發(fā)射相控陣天線陣元失效的試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致,可以通過(guò)理論分析結(jié)果開(kāi)展發(fā)射天線陣元失效分析。同時(shí),相同數(shù)目陣元失效情況下,陣元集中失效方式比均勻失效方式對(duì)波束合成增益的影響更大。陣元在相同失效方式下,失效數(shù)目越多,對(duì)天線波束合成增益影響越大。

在相控陣天線接收陣元失效對(duì)波束合成性能影響理論分析方法正確性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,結(jié)合第2節(jié)不同俯仰條件和不同失效方式下天線陣元失效對(duì)波束性能的影響分析,球面相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)中發(fā)射陣元失效不超過(guò)5%時(shí),系統(tǒng)發(fā)射波束主瓣增益下降量不超過(guò)1 dB。發(fā)射陣元失效不超過(guò)10%時(shí),系統(tǒng)發(fā)射波束主瓣增益下降量不超過(guò)2 dB。發(fā)射陣元失效不超過(guò)20%時(shí),系統(tǒng)發(fā)射波束主瓣增益下降量不超過(guò)4 dB。

同理,接收相控陣天線陣元失效的試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致,可以通過(guò)理論分析結(jié)果開(kāi)展接收天線陣元失效分析。由測(cè)試結(jié)果可知,相同數(shù)目陣元失效情況下,陣元集中失效方式比均勻失效方式對(duì)波束合成增益的影響更大。陣元在相同失效方式下,失效數(shù)目越多,對(duì)天線波束合成增益影響越大。

在相控陣天線發(fā)射陣元失效對(duì)波束合成性能影響理論分析方法正確性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,結(jié)合不同俯仰條件和不同失效方式下天線陣元失效對(duì)波束性能的影響分析,球面相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)中接收陣元失效不超過(guò)5%時(shí),系統(tǒng)接收波束主瓣增益下降量不超過(guò)1 dB。接收陣元失效不超過(guò)10%時(shí),系統(tǒng)波束主瓣增益下降量不超過(guò)2 dB。接收陣元失效不超過(guò)20%時(shí),系統(tǒng)波束主瓣增益下降量不超過(guò)3 dB。

4 結(jié)論

為有效評(píng)估全空域多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)天線陣元失效對(duì)波束合成的影響,基于數(shù)字波束合成技術(shù),提出一種基于仿真分析的系統(tǒng)天線失效評(píng)估方法。對(duì)塔的系統(tǒng)接收和發(fā)射相控陣天線陣元失效試驗(yàn)結(jié)果表明,基于理論仿真的陣元失效影響分析方法能夠準(zhǔn)確評(píng)估陣元失效對(duì)波束合成的影響,能夠?yàn)榛诠残蜗嗫仃囂炀€的多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃和收發(fā)組件故障后的維修更換提供理論指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上,相同數(shù)目天線陣元失效情況下,陣元集中失效方式比均勻失效方式對(duì)波束合成增益的影響更大。陣元在相同失效方式下,失效數(shù)目越多,對(duì)天線波束合成增益影響越大。同時(shí),由理論分析可知,球面相控陣天線測(cè)控系統(tǒng)陣元失效不超過(guò)5%、10%、20%時(shí),天線波束主瓣增益對(duì)應(yīng)下降量不超過(guò)1、2、4 dB。

下一步,將借助無(wú)人機(jī)平臺(tái),繼續(xù)開(kāi)展不同俯仰條件下,天線陣元失效對(duì)于波束合成性能的影響,并研究天線陣元失效位置對(duì)天線增益、旁瓣電平和柵瓣電平的影響,并根據(jù)分析結(jié)果完善系統(tǒng)天線陣元失效后的維修維護(hù)策略。