利用稀布設(shè)計低成本單脈沖天線
0 引 言
單脈沖雷達(dá)天線是一種同時多波束天線。它在單次脈沖回波中檢測比較角誤差所需的全部波束。其中相控陣單脈沖雷達(dá)天線的掃描速度快,可實(shí)現(xiàn)對大空域多目標(biāo)的跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)對目標(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,而且造價高昂。這嚴(yán)重限制了相控陣天線的應(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)無關(guān)。因此,對于相同的波束寬度要求,它所用的單元數(shù)可比滿陣時少得多,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)計了一個空饋單脈沖天線,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:
統(tǒng)計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。對于單脈沖天線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)計難度較大。由此可知,統(tǒng)計抽取方法在相控陣單脈沖天線的稀布設(shè)計中更有優(yōu)勢。
針對某單脈沖相控陣天線的設(shè)計要求,在保證波束寬度的情況下,采用均勻抽取方法設(shè)計了一個稀布陣,僅保留了對應(yīng)滿陣的70%的單元。通過仿真,比較了稀布陣與滿陣在相同加權(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)計要求,節(jié)省了約20%的成本。
1 稀布陣的設(shè)計
某稀布陣的主要設(shè)計要求如下:
天線口徑:≤46個波長;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,則天線增益可估算為:
其中:G是天線增益;λ是波長;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尺寸較小的非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo),并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了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)掃描范圍無柵瓣的要求,相鄰單元的間距不超過2/3波長,取單元間距為0.64波長。圓口徑滿陣的陣面共有3 940個單元,如圖2所示。增益重估為:
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