相控阵天线间收发隔离影响分析

刘攀龙

（解放军91404部队，秦皇岛066001）

0 引 言

相控阵天线作为一种电子扫描天线（ESA），通过改变各辐射单元的幅度、相位来实现天线波束指向在空间中的转动［1］。

相比传统的机械扫描天线，相控阵天线具有扫描速度快、目标数据率高、多目标跟踪能力强等优点，能显著提高武器系统的技术性能和作战性能，是当代信息战的重要信息来源，并担负着警戒、跟踪、火控、导航、舰载机的引导以及气象探测等多项任务［2］。

正因为相控阵天线的诸多优点，在未来的系统中往往会集成多个相控阵面，各个阵面的工作频段难免有重叠。当2个阵面中的一个处于发射态而另一个处于接收态时，发射态的阵列会有一部分能量以近场天线耦合等方式漏进处于接收态的阵面，这一部分能量如果超过一定范围，则会使接收阵的性能恶化，带来电磁兼容问题。对阵面间收发隔离度的研究有助于多天线系统的电磁兼容性设计。

1 隔离度计算的一般形式

设传递给发射阵面的功率为Pt，漏进接收阵面接收机输入端的功率为Pr，则定义收发阵面的隔离度为：

在距离阵列d处的单位面积功率为：

式中：Prad为辐射功率；Gt为发射阵列增益。

则对应的均方根电场强度可表示为：

由上式可推导出用电场强度表示的传递给发射阵面的功率：

设接收功率密度为Prec，则进入接收阵列的功率可表示为：

式中：Ae为阵列天线的有效接收面积；G为接收阵列增益。

用接收场强Erec来表示Prec：

此时，进入接收阵列的功率可写成：

式中：Gr为接收阵增益；B为接收阵天线与发射阵天线的匹配度。

由以上公式可得收发隔离度为：

对于自由空间传播，Erec＝Efs，若在2个阵面间采用空间隔离装置，则表面屏蔽作用的影响系数为：

因此，隔离度用分贝表示可改为如下形式：

式中：第1项表示的是电磁波自由空间传播时的空间损耗，即自由空间隔离度，计算结果如表1所示。

表1 电磁传播隔离计算表

2 阵列间隔离度的仿真分析

以收发阵列均是16×16为例，通过分析近场感应电动势可以计算出不同频率、不同距离、不同扫描角度的发射近区等效增益。

设发射面A与接收面B的中心距离为d，A面相对于B面旋转一个θ角，如图1所示。

A面任意一个单元（m，n）对应的电流源在B面任意一个单元（p，q）处产生的感应电动势可表示为：

式中：r为2个单元之间的间距；α为r与y轴之间的夹角。

对m，n求和即可得到A面所有阵元在（p，q）处产生的电场，将B面所有子元的电场叠加即可得到A面对应B面所产生的总场强。用此方法计算的近区等效增益如表2所示。

设在收发阵列之间不加空间隔离和吸波材料，则隔离系数C＝0。运用公式可计算出收发阵面间的隔离度，如表3所示。

图1 收发阵列天线示意图

表2 发射近区等效增益

表3 发射近区等效增益

3 结束语

为确保接收阵面能够正常工作，发射阵面发射功率漏到接收机输入端的功率，应小于接收阵面接收机能够正常工作的信噪比。设接收机可能收到的最小信号功率为Pmin，接收机输入端的噪声功率为PM，则接收机实际工作的信噪比为：

若发射信号耦合到接收机输人端的功率Pr刚好能使接收机正常工作，则这样隔离度可表示为：

上式表明：系统的灵敏度越高，对阵列间的隔离度要求也越高；同时为了弥补系统隔离度的不足，往往需要在发射阵与接收阵同时工作的情况下人为降低系统的接收灵敏度。

考虑到系统干扰杂散指标，可以计算出干扰阵面与接收阵面隔离度的指标要求，这里以干扰杂散指标－40dBc为例。

表4 干扰信号与雷达接收的隔离度

从计算结果可见，通常的收发阵面布置方法并不能满足同时接收与发射的需求。需要从如下几点进一步深入研究并采取相应措施。

（1）优化收发阵面之间的距离，可增加电磁波传播的衰减系数；

（2）合理设计收发阵面规模，可优化收发阵列的耦合；

（3）对发射阵进行功率管理，优化发射资源，可以在雷达工作时采用收发分时方式；

（4）对发射阵的发射频率与接收阵的接收频率进行实时管理，在频率上错开；

（5）在发射阵与接收阵之间采用吸波材料或者挡板的形式进行物理隔离；

（6）对发射阵及接收阵的波束进行加权，控制副瓣电平；

（7）对发射与接收的极化进行实时控制；

（8）从信号产生电路、滤波电路、驱动放大电路等方面提高器件的杂散指标，合理分配链路增益，提高辐射信号频谱纯度；

（9）综合采取自适应干扰对消方法，以及近区等效方向图置零方法，减小收发天线的等效副瓣电平。

［1］张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［2］叶显武.舰载相控阵雷达的技术发展与应用［J］.现代雷达，2012（6）：5－8.

［3］John D Krabs.天 线 ［M］.北 京：电 子 工 业 出 版社，2012.

［4］石长生.谈天线隔离度［J］.电子科技导报，1997（11）：16－18.

［5］何克强.双反射面天线近场等效增益快速计算［J］.微波学报，2014（S2）：137－140.