利用稀布設(shè)計(jì)低成本單脈沖天線(xiàn)

0 引 言
    單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)是一種同時(shí)多波束天線(xiàn)。它在單次脈沖回波中檢測(cè)比較角誤差所需的全部波束。其中相控陣單脈沖雷達(dá)天線(xiàn)的掃描速度快，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大空域多目標(biāo)的跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的良好跟蹤，往往要求較高的方向性和角分辨率，然而方向性與其口徑成正比，為了滿(mǎn)足不產(chǎn)生柵瓣的條件，輻射單元數(shù)也必須成比例地增加。大型相控陣不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價(jià)高昂。這嚴(yán)重限制了相控陣天線(xiàn)的應(yīng)用。
    稀布陣的主要優(yōu)點(diǎn)是它的波束寬度取決于其總口徑的大小，而與輻射單元數(shù)無(wú)關(guān)。因此，對(duì)于相同的波束寬度要求，它所用的單元數(shù)可比滿(mǎn)陣時(shí)少得多，因此其成本也大大降低。稀布陣的主要缺點(diǎn)是發(fā)射機(jī)的功率利用率很低，與滿(mǎn)陣相比，主波束僅包含了總功率的一部分，其余部分則進(jìn)入了隨機(jī)副瓣。P．J．Kahrilas利用稀布陣設(shè)計(jì)了一個(gè)空饋單脈沖天線(xiàn)，在相同角分辨率的要求下，實(shí)現(xiàn)了有源單元數(shù)目的最小化。稀布的方法可分為兩類(lèi)：
    統(tǒng)計(jì)方法抽取首先確定布陣采用的柵格，再在此基礎(chǔ)上根據(jù)特定的概率密度函數(shù)，在部分柵格位置上放置輻射單元。在此基礎(chǔ)上，還可以采用優(yōu)化算法進(jìn)一步降低稀布陣的副瓣。
    確定性密度錐削 基于均勻加權(quán)的非等間距陣與幅度加權(quán)等間距陣的等效性，采用的單元柵格間距不等。對(duì)于單脈沖天線(xiàn)存在和差波束兩種加權(quán)方法，而確定性密度錐削法只能滿(mǎn)足其中一種加權(quán)的要求，而且非等間距陣的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度較大。由此可知，統(tǒng)計(jì)抽取方法在相控陣單脈沖天線(xiàn)的稀布設(shè)計(jì)中更有優(yōu)勢(shì)。
    針對(duì)某單脈沖相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求，在保證波束寬度的情況下，采用均勻抽取方法設(shè)計(jì)了一個(gè)稀布陣，僅保留了對(duì)應(yīng)滿(mǎn)陣的70％的單元。通過(guò)仿真，比較了稀布陣與滿(mǎn)陣在相同加權(quán)下的和差波束指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)稀布陣通過(guò)犧牲增益和副瓣電平指標(biāo)，以較少的單元實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，節(jié)省了約20％的成本。

1 稀布陣的設(shè)計(jì)
    某稀布陣的主要設(shè)計(jì)要求如下：
    天線(xiàn)口徑：≤46個(gè)波長(zhǎng)；增益：≥40 dB；掃描范圍：≥30(圓錐掃描)；副瓣電平：≤一20 dB；和波束寬度：1．5±O．1°；差波束零深：≤一30 dB。
    由于該稀布陣的掃描方式為圓錐掃描，采用圓口徑陣面。為實(shí)現(xiàn)一20 dB的副瓣，擬采用一30 dB圓口徑Taylor加權(quán)，其口徑效率約為0．85，則天線(xiàn)增益可估算為：

其中：G是天線(xiàn)增益；λ是波長(zhǎng)；S是口徑面積；η是口徑效率。估算得的增益為42．5 dB，與增益指標(biāo)相比余量較大，有稀布的可能。
    為了減小輻射單元的損耗，采用角錐喇叭作為輻射單元。根據(jù)掃描范圍的要求，天線(xiàn)單元的3 dB波束寬度不宜小于60°。綜合考慮波導(dǎo)損耗、單元的增益及單元的空間尺寸，選擇了一種在工作頻率時(shí)尺寸較小的非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了E面與H面等化，3 dB波束寬度約80°的喇叭，Ansoft HFSS仿真所得的方向圖如圖1所示。它在工作頻帶內(nèi)的駐波優(yōu)于1．3 dB，將造成約0．1 dB的失配損耗。其增益約為7 dB。根據(jù)掃描范圍無(wú)柵瓣的要求，相鄰單元的間距不超過(guò)2／3波長(zhǎng)，取單元間距為0．64波長(zhǎng)。圓口徑滿(mǎn)陣的陣面共有3 940個(gè)單元，如圖2所示。增益重估為：

其中：Ge是輻射單元的增益；N是單元數(shù)；η是口徑效率。重估增益為42．2 dB。
    由于稀布陣在除副瓣電平和增益的指標(biāo)上與滿(mǎn)陣的指標(biāo)接近，為降低成本，擬采用稀布陣方案。設(shè)稀布率為O．7．則稀布陣的增益約為40．7 dB，可滿(mǎn)足增益指標(biāo)的要求。通過(guò)仿真可考察副瓣電平指標(biāo)是否符合要求。
    為了使差波束具有較好的零深，必須保證陣列在四個(gè)象限內(nèi)的單元數(shù)相當(dāng)，如具有象限對(duì)稱(chēng)性的陣面。具體的實(shí)現(xiàn)步驟是將第一象限內(nèi)(含坐標(biāo)軸)的單元按O．7的概率均勻抽取，再映射到其他三個(gè)象限及坐標(biāo)軸上。隨機(jī)抽取和映射后得到的單元數(shù)是2 788，如圖3所示。

 所加的30 dB圓口徑Taylor權(quán)和Bayliss權(quán)的系數(shù)如圖4所示。輻值均針對(duì)各自的最大值進(jìn)行了歸一化，半徑則針對(duì)陣面的半徑進(jìn)行了歸一化。通過(guò)圓口徑Taylor加權(quán)實(shí)現(xiàn)和波束的方向圖；通過(guò)圓口徑Bayliss加權(quán)結(jié)合不同的單元相位分布，可以分別實(shí)現(xiàn)方位面和俯仰面的差波束方向圖。

2 仿真結(jié)果及分析
    為了考察稀布對(duì)方向圖副瓣和波束寬度的影響，圖5分別比較了稀布陣與滿(mǎn)陣的0°面和波束、90°面和波束、方位差波束和俯仰差波束。

滿(mǎn)陣可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)加權(quán)的最大副瓣電平。由于稀布的影響，稀布陣的和差波束的副瓣電平與滿(mǎn)陣相比明顯抬高，最大副瓣電平約為一25 dB。依據(jù)此設(shè)計(jì)，考慮了加工及饋電的相關(guān)誤差后仍可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)副瓣電平的設(shè)計(jì)要求。兩個(gè)面差波束的零深均超過(guò)一50 dB，也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。滿(mǎn)陣的和波束寬度約為1．49°，而稀布陣的波束寬度在1．47°左右，與滿(mǎn)陣接近，符合設(shè)計(jì)要求。由于稀布陣單元的間距足夠小，掃描范圍指標(biāo)符合要求。對(duì)稀布陣的方向圖進(jìn)行全空域積分，得到的方向性是41．1 dB，扣除輻射單元的損耗后可滿(mǎn)足要求。而相控陣天線(xiàn)的成本主要由T／R的成本決定，該稀布陣方案使系統(tǒng)成本下降了20％。

3 結(jié) 語(yǔ)
    采用稀布的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本單脈沖相控陣天線(xiàn)。該方法基于稀布陣面上加圓口徑Taylor權(quán)和圓口徑Bayliss權(quán)實(shí)現(xiàn)和差波束。通過(guò)比較該方法的結(jié)果與滿(mǎn)陣加相同權(quán)的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者僅在增益和副瓣電平上有較大的差別。如果設(shè)計(jì)要求強(qiáng)調(diào)分辨率，著重波束寬度指標(biāo)，而對(duì)增益和副瓣電平指標(biāo)不做過(guò)高要求(如本例)，那么該方法具有合理性。實(shí)際上，提供了一個(gè)低成本單脈沖相控陣天線(xiàn)的解決方案。