一种解决宽带相控阵雷达瞬时带宽的方法

顾 军，胡瑾贤，李春来

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

1 概 述

宽带相控阵天线技术是当前相控阵雷达技术发展的一个重要方向，这主要与要求相控阵设备在多目标、多功能情况下完成的许多新任务密切相关。宽带相控阵雷达采用相控阵雷达技术和宽带技术相结合，既具有相控阵的优势又具有宽带技术的优势。对目标采用具有很大瞬时带宽的信号进行跟踪，可以获取目标更多的有用信息，这对目标分类与识别，改善多目标情况下的分辨率、提高测量精度、判定目标属性等有重要作用。

普通的相控阵天线实际上是一个窄带系统，信号频率是选定的某一固定频率，实际使用的信号含有一定的频带宽度，天线方向图指向会随着信号频率的改变而改变，如果信号瞬时带宽足够宽，必须考虑信号频率变化对天线方向图的影响[1]。因此瞬时带宽的提高是有限制的，这种限制反映在2个方面。

2 瞬时带宽的限制因素

(1) 天线波束指向对雷达信号瞬时带宽的限制

天线波束指向随信号频率的改变而在空间改变，这种改变称为相控阵天线波束在空间的色散现象，它又称为相控阵天线的“孔径效应”。

平面相控阵天线波束扫描增大时，对雷达信号带宽限制也增大。为了分析简单，这里以直线阵为例说明限制规律。

假定波束的扫描角为θB，允许最大波束的偏移角Δθfmax为波束半功率点宽度的1/4，则有Δθfmax=Δθ1/2(θB)/4，其中Δθ1/2(θB)为扫描至θB时的波束半功率点宽度，Δθ1/2(θB)=Δθ1/2/cosθB。若信号的载频为f0，则不难得到：

Δfmax/f0≤Δθ1/2/(4sinθB)

(1)

(2)

从上式不难看出，最大带宽随波束指向变大而缩小，并且和载波频率无关。这里针对一具体实例研究“孔径效应”对带宽的限制，令阵元数量N=56(2 688=56×48)，阵元间距d=11 mm，则根据式(2)很容易得到最大带宽随波束扫描角变化的情况，如图1所示。

图1 考虑孔径效应时最大允许带宽随波束指向的变化

从图中不难看出，“孔径效应”对瞬时带宽有较大的限制，并且随着扫描角度变大，这个限制越来越严重，当波束扫描角为60°时，最大带宽不到250 MHz。

(2) 天线孔径渡越时间对雷达信号带宽的限制

当天线孔径渡越时间TA0大于信号带宽B的倒数τ(τ=1/B)时，对于发射阵，阵列两端天线单元所辐射的信号将不能同时到达θB方向上的目标；对于接收阵列，阵列两端天线单元所接收到的信号不能同时相加。

对于脉冲宽度为τ、带宽为B的线性调频信号，各天线单元辐射的信号在目标位置上合成的信号包络将不再是矩形，而是如图2所示的梯形。各天线单元信号能同时到达目标并进行合成的时间小于τ。

图2 宽度相控阵雷达孔径渡越时间对调频信号包络的影响

为了使得渡越时间对压缩后信号在时间上的拉伸现象对测距精度的影响及对信号能量带来的损失，通常对信号瞬时带宽B的要求定为：

(3)

这里仍然以上次仿真参数为例，说明带宽对波束指向的变化情况。

图3 考虑孔径渡越时最大允许带宽随波束指向的变化

观察图3并对照图1可知，渡越时间对带宽的限制比孔径效应要大得多，当扫描角为60°时，最大带宽还不到55 MHz，扫描角为40°时，带宽也不超过75 MHz，因此远远不能满足宽带甚至超宽带雷达的需要。

3 子天线阵级别上的实时延迟补偿解决带宽限制问题

从上面的分析可以得出，在宽角扫描的情况下，要获得大的瞬时带宽是不可能的。解决办法之一，是在阵列各单元或各子阵级别上采用移相器和实时延迟线。

根据上述分析可知，即使不能对天线阵的孔径渡越时间进行完全补偿，也可以降低天线波束指向随着信号频率变化而发生的偏转，也即提高相控阵天线的宽带特性，因此，为了节省设备的数量，可以考虑只在子天线阵层次上实现时间延迟补偿。下面讨论应选多少个子天线阵或一个子天线阵内允许多少个天线单元。

首先说明在子天线阵上设置实时时间延迟线之后的综合因子方向图。

(4)

即：

(5)

因此，频率变化带来的信号波束指向变化是很小的，即综合因子方向图的相对偏移是很小的。

若子天线阵划分是均匀的，线阵被划分为等间距的m个子天线阵，子天线阵内的孔径渡越时间TSA0为：

TSA0=TA0/m

(6)

考虑到子天线阵方向图宽度大体上等于天线阵束宽Δθ1/2的m倍，因此对信号瞬时带宽的限制可放宽m倍，即式(2)可改为：

(7)

同样，由孔径渡越时间对调频信号包络的影响所决定的对瞬时带宽的限制也可放宽至m倍，即式

(3)改为：

(8)

由上面的分析不难看出，分子阵后的带宽限制实际上是由每个子阵的规模决定的，因此也可以首先确定每个子天线阵的阵元数n，然后代入式(2)、(3)，得到最大限制带宽。由于孔径渡越的限制更加严格，因此这里只需考虑公式(3)即可。

图4给出几种不同子阵规模条件下的最大带宽。

图4 3种不同阵元规模条件下，最大带宽随波束指向的变化情况

表1给出几种不同扫描角条件下的带宽限制。

表1 3种不同子阵规模条件下不同扫描角的最大限制带宽

4 结 论

由本文仿真分析可知，在子阵级别上实现延迟线补偿的结构虽然还有带宽限制，但是这个限制已经很小了，只要子阵规模不太大，就能够满足大多数宽带相控阵雷达对带宽的需求。