基于辐射中心分解的天线辐射场合成

梁子长, 岳 慧

(目标与环境电磁散射辐射国防科技重点实验室,上海200090)

0 引言

近场情况下,目标的电磁散射观测数据与观测天线密切有关,观测天线辐射场的描述模型是近场散射建模中必不可少的元素,人们通常采用点源结合天线方向图的方式对观测天线辐射场进行建模[1～6],且假定观测天线辐射场幅度与距离成反比,但对口面分布尺寸较大的观测天线,该假定在近场情况下不再成立。最近,有研究在假定理想偶极子观测条件下引入了广义雷达散射截面的定义,认为近距离观测情况下观测天线可表示为一系列理想偶极子的组合,有效地避免了近场目标散射特性与观测天线直接相关的问题,但这对观测天线辐射场的描述提出了新的要求,即需利用偶极子辐射场对实际观测天线辐射场进行分解描述。

本文采用逆投影算法对观测天线不同方向辐射场的仿真数据进行成像处理[7],获取天线辐射强度的分布图像,其强辐射分布区域与天线开口位置一致;在此基础上,利用偶极子辐射中心概念采用参数估计法对天线辐射场进行分解,提取其辐射中心的幅度、相位及位置等参数,并合成不同距离下的天线辐射场,结果与直接计算的辐射场分布数据吻合较好,有效地解决了近场散射建模中天线辐射场的描述问题。该方法也可应用于双站RCS数据压缩、天线反设计及雷达仿真应用等方面。

1 天线辐射成像

若给定某一工作频率下,天线辐射场不同方向(俯仰及方位角)的幅度及相位数据,根据逆投影(BP)算法原理,可在选定的平面内(一般取天线口面所在平面,本文取YZ平面)进行成像处理,天线辐射强度的分布图像可由式(1)计算:

式中:G0(θ,φ)为天线远区辐射场某一极化分量的分布数据;c0为标定系数,其大小与式中积分的角度范围有关;k为电磁波波数。其成像分辨率可由式(2)估算:

式中:θ1和θ2为式(1)中积分的俯仰角范围;φ1和φ2为方位角范围。当积分的角度域范围接近半球面空间时,成像分辨率可达0.5倍波长,Ku波段时小于1 cm。

为验证天线辐射成像效果,本文假定一简化的波导缝隙阵天线沿Z轴放置,天线工作频率为16GHz,波导宽边平行于Y轴,其上依次开有6个相隔约为2.1 cm的半波长缝隙,缝隙宽度为1 mm,且偏离波导宽边中心线3.5mm。图1(a)为矩量法(M oM)计算的天线远区辐射场分布结果;对应地,图1(b)给出了天线辐射强度的成像分布结果,其中成像处理采用的俯仰角范围为10°～170°,方位角范围为 100°～ 260°。可见,该天线的辐射图像主要表现为六个强辐射中心,其位置与缝隙中心位置十分吻合。

图1 缝隙阵天线辐射场成像结果

图2为一喇叭天线的远区辐射场成像结果,其中喇叭天线的口面大小取为8 cm×6 cm,工作频率为16GH z,矩量法计算的天线远区辐射场分布如图2(a)所示;图2(b)给出了该天线辐射强度的成像分布结果,其强辐射分布区域与天线口面位置也较为吻合。

综上所述,BP算法适于天线辐射场分量的成像处理,验证结果表明缝隙、喇叭等天线的辐射成像效果较好,其强辐射分布区域有较强的聚集性,且与天线向外辐射能量的开口位置较为一致,引申目标散射中心的概念,这里引入偶极子辐射中心的概念,这对天线辐射场的描述、天线反设计等有重要意义。

图2 喇叭天线辐射场成像结果

2 天线辐射中心提取

根据上节天线成像结果及辐射中心概念,可利用理想偶极子天线的辐射场对复杂天线的辐射场进行分解,即提取偶极子辐射中心的位置、幅度和相位等参数;这里采用参数估计法进行提取[8～9],对第i个辐射中心,即寻找合适参数使得式(3)中相对剩余偏差ei最小,表示为

式中:ai为辐射中心的强度(包含幅度和相位);yi和zi为辐射中心的位置;g(yi,zi,θ,φ)为理想偶极子天线不同方向的辐射场分布。同时,结合式(4)可依次提取第i+1个辐射中心的参数。

对图1(a)所示的缝隙阵天线辐射场,表1给出了利用式(3)提取的部分辐射中心参数,其中前六个辐射中心位置与缝隙中心位置一致,相对偏差随着辐射中心的提取依次减小,提取100个辐射中心后其相对剩余偏差达0.0016以下。

利用提取的辐射中心数据,对天线远区及0.4m距离处的辐射场分布进行合成,与M oM计算数据的比较结果如图3所示。

由图3(a)和(b)可知,基于辐射中心合成的天线远区辐射场结果与M oM直接计算结果吻合较好,在较大观测角范围内偏差均较小;同时,由于天线口面分布尺寸达0.1m以上,天线近距离辐射场与远区辐射场不同,但图3(c)和(d)的比较结果表明辐射中心的近场合成结果也与直接计算结果吻合较好,两者间偏差主要来源于辐射中心提取后的剩余偏差。

对图2(a)所示的喇叭天线辐射场,利用式(3)依次提取150个辐射中心后,相对剩余偏差小至0.0006;相应地,利用提取的辐射中心参数,图4给出了喇叭天线远区及0.4 m距离处辐射场的合成分布结果与直接计算数据的比较,两者也吻合较好。

表1 提取的缝隙阵天线辐射中心参数列表

图3 裂缝阵天线辐射场合成

图4 喇叭天线辐射场合成

由此可见,采用偶极子辐射中心分解观测天线辐射场的方法是有效的,其合成的辐射场可较好地描述天线辐射场随距离的变化关系。

3 结论

采用逆投影算法对裂缝阵、喇叭等天线的辐射场进行成像处理,获得了天线的辐射强度分布图像,其强辐射区域与天线向外辐射能量的开口位置较为一致。

在此基础上,引入了偶极子辐射中心的概念,并采用参数估计法提取了天线辐射中心参数,其合成的天线辐射场与矩量法直接计算的不同距离辐射场结果吻合较好,满足近场目标散射建模对天线辐射场描述的要求。同时,该方法也可用于双站RCS数据压缩、天线反设计、雷达仿真试验等方面。

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