一种有源相控阵体制照射天线凹口补偿方式

张继浩，李丽娴，陈磊磊，吴文友，黄 一

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

0 引言

利用平面二维相扫有源相控阵体制照射天线，可以灵活实现多目标照射、间断照射，但是由于阵列天线照射波束由若干天线单元在空间通过矢量叠加形成，矢量同相叠加形成照射天线主波束，矢量反向叠加形成照射天线凹口[1]，在半主动寻的体制的导弹武器系统中[2-3]，导弹飞行的后半程需要照射天线的副瓣提供稳定指令信号，如果在某一空域，照射天线副瓣的凹口对准了导引头天线，这将导致导引头收到的指令信号能量过低，导弹将失去指令信号，从而失锁，严重情况下导弹会失去目标，导致任务失败[4]。

对于常规的固定波束照射天线，由于波束及凹口区域是固定不变的，可用一可调相位固定宽波束辅助天线与主天线同时照射，补偿天线副瓣区域内凹口，但由于相控阵体制照射天线在工作时，天线波束时刻扫描切换，波束是可变不固定的，需要在不同的波束位置补偿天线副瓣区域内的凹口，用这种可调相位固定宽波束辅助天线不能补偿扫描后的照射天线的凹口，因此这种常规的补偿方式对相控阵体制照射天线将不再适合。

本文致力于解决相控阵照射天线的凹口补偿问题，从阵列天线的理论出发，提出了一种相控阵照射天线凹口补偿的工程实现方式，结合计算机仿真，给出了补偿前后的比较方向图及扫描后的补偿效果，通过与外场实测方向图的比较，表明该补偿方式能有效解决相控阵体制照射天线的凹口问题 。

1 相控阵照射天线凹口形成原理

相控阵照射天线为二维相位扫描的平面有源相控阵天线，可以看成2个线性相控阵天线的组合，即方位向一维线性相控阵天线与俯仰向一维线性相控阵天线组成，因此，分析二维相位扫描的平面有源相控阵天线可以从分析一维线性相控阵天线原理着手。设一维线性天线阵由N个天线单元构成，等间距排布，单元间距为d，则天线的幅度方向图为[5]：

(1)

(2)

式中，p=±1,±2,±3,…,表示凹口(零点)位置的序号；θB为天线扫描角。第p个凹口(零点)线阵出现凹口(即零点)的位置θP0，根据式(2)，表示为：

(3)

(4)

由上述分析看出，一个由N个单元构成的直线阵列,形成的方向图，在±90°的观察角度内，会有N个固定角度的凹口，对于一个M×N单元的二维平面相控阵天线，形成的固定角度的波瓣凹口有M+N个。

2 平面相控阵照射天线方向图仿真

对于一个三角排列的平面相控阵天线阵面如图1所示。

图1 阵列布局

根据阵面排列，可以计算二维平面相控阵天线的方向图[6]，计算式为:

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(5)

k(dr2cosθsinφ-α)]。

(6)

为了在(θB、φB)方向上获得波束最大值，α、β应为：

(7)

一个方位面28个天线单元，俯仰面18个天线单元，dx为0.5λ，dy为0.65λ的阵面，阵面方位/俯仰面的仿真方向图及所需满足的功率电平要求曲线如图2所示。由图2可看出，方位/俯仰方向图上存在凹口，即仿真方向图上功率电平小于功率电平要求曲线的区域，这就会导致导弹在飞临这些空域时，导弹导引头天线接收到照射天线发射的指令信号功率低，引起导弹失去指令信号，从而失锁，严重情况下导弹会失去目标，导致任务失败。

(a) 方位面

(b) 俯仰面图2 仿真方向图及相应的功率指标要求

3 凹口的解决方法

相控阵照射天线的凹口是由天线单元在空间通过矢量反向叠加形成，可以考虑增加一个辅助相控阵照射天线[7]，通过给予不一致的初相位值，改变天线单元在远场的矢量迭加，从而消除阵面方位/俯仰方向图在±20°内存在的凹口。为保证雷达整体阵面的一体性，辅助天线选用主天线中的部分单元构成，随主天线同步参与二维电扫。由于辅助天线既要补偿主天线在空域±20°范围内的凹口，又不能影响主天线的主波束性能，因此，将辅助天线的3dB波束宽度设计成25°较为合适，根据相控阵理论可综合出辅助天线的规模为方位面4个天线单元，俯仰面4个天线单元，共计16个单元构成，如图3所示，空心单元为相控阵照射天线主阵面单元，实心单元为相控阵照射天线辅助单元[8]。

图3 带有辅助天线的相控阵照射天线

主天线和辅助天线单独工作时在方位/俯仰面上的方向图如图4所示。由图4可得到，在方位/俯仰方向图±20°的区域内，当主天线的副瓣能量高于辅助天线能量10dB以上时，这些区域的功率分布由主照射阵面决定；而当辅助天线能量高于主天线能量10dB以上时，这些区域的功率分布由辅助照射阵面所决定。

当2个天线置于一个坐标系下共同工作时，方向图的计算式为[9]：

E(θ,φ)=f(θ,φ)×F(θ,φ)，

(8)

F(θ,φ)=F1(θ,φ)+F2(θ,φ)，

(9)

(10)

(a) 方位面

(b) 俯仰面图4 主天线和辅助天线的方向图

式中，F1(θ,φ)为辅助照射相控阵天线的阵面方向图函数；F2(θ,φ)为主照射相控阵天线的阵面方向图函数；φik为主、辅2个天线的初始相位差。对于同时放置于一个坐标系下的2个天线，最终的合成方向图是由2个天线辐射的电场矢量在空域互相干涉叠加的结果，且主要由2个天线的初始相位差所决定。取45°、90°和180°三个典型的初始相位差，分别进行方向图计算，如图5所示。由图5可看出，当2个天线的初始相位差为180°时，合成方向图的凹口补偿效果最佳。

天线凹口补偿前后的方向图及相应的功率电平要求曲线如图6所示。由图6可看出，方位/俯仰方向图在±20°的范围内，补偿后方向图的功率电平值均大于相应的功率电平要求，有效提高副瓣要求区域凹口能量5～10dB。

照射相控阵在扫描30°后，阵面补偿前后的对比方向如图7所示。由图7可以看出，随着阵面的扫描，辅助天线仍具有良好的补偿效果，在方位/俯仰方向图±20°的范围内没有出现凹口。图8给出了阵面仿真/实测方向图及相应的功率电平指标，不难看出，实测与仿真结果相一致，在方位/俯仰方向图±20°的范围内，没有凹口。

(a) 方位面

(b) 俯仰面图5 不同初始相位差对应的合成方向图

(a) 方位面

(b) 俯仰面图6 补偿前后方向图及相应的功率电平要求

(a) 方位面

(b) 俯仰面图7 扫描30°后补偿前后方向图比较

(a) 方位面

(b) 俯仰面图8 实测方向图

4 结束语

相控阵照射天线由于天线波束不停地电扫描，为了给半主动寻的导引头提供稳定指令信号，这就需要波束扫描到任何空域位置，都需对波束的凹口进行补偿。本文给出了一种平面二维相扫有源相控阵体制照射天线凹口补偿方法，利用阵面内部16个天线单元作为辅助天线，同时利用软件对辅助天线单元的相位控制来补偿主天线副瓣区域内的凹口，主天线不增加硬件设备，成本低，软件复杂度低，简单易行，适于工程运用。

[1] 周朝栋.天线与电波[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[2] 何广军，张锦华，韩华亭.半主动雷达寻的制导系统反隐身技术研究[J].航天电子对抗，2000(4):13-15.

[3] 张海容.半主动寻的间断照射体制与数学导引头[J].上海航天，2001(4):31-33.

[4] 高烽.弹载无线电寻的装置的基本体制[J].制导与引信，2006,27(2):1-5.

[5] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 张光义.相控阵雷达系统分析[M].北京：国防工业出版社，2001:52-59.

[7] 邱朝阳，刘铭湖，饶妮妮.辅助天线配置对自适应旁瓣对消系统性能的影响[J].数据采集与处理，2013,28(2)：123-127.

[8] 刘颜回，廖锟，程娟，等．二维相控阵的自适应—自适应旁瓣对消策略[J]．无线电工程， 2016，46(3)：1-4.

[9] 束咸荣.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社,2007:47-82.