多通道“分区修相”法的分析与研究

2021-06-16罗绍彬李钊任锋

电子制作 2021年6期

罗绍彬，李钊，任锋

（西南电子设备研究所，四川成都，610036）

0 引言

目前，由于许多实际原因，相控阵天线在EW 领域变得越来越重要，通过相控阵天线可从一个目标立刻转变到另一个目标，以高效的率截获或跟踪多目标[1]。因此常用雷达和其他电子设备中，阵列天馈设备工作原理与相控阵天线类似，各通道有较高的幅度、相位一致性要求，在实际工作中，通过检查合格的电缆，装入整机后会因安装路径、固定等，会带来较大相位的变化，超过相位一致性指标要求，电缆幅度一致性影响很小（可以忽略不计），因此常常在整机设备的调试中，主要针对通道的相位一致性进行调整，主要手段是通过修剪电缆来达到相位一致性的要求（修剪电缆的长度较短，对幅度一致性的影响可以忽略不计），我们将这个相位一致性调整的过程称为“修相”。其中使用的射频连接器不易重复利用，在设备生产过程中，连接器损耗达到了20%以上，不利于大批量生产，故分析研究可行的方法，减少设备的制造成本。

1 基本原理

相控阵天线采用的扫描方式为电扫描法（也称相扫法），它通过控制各天线上的移相器的相器量来改变个阵元的激励相位，从而实现波束扫描[2]。

图1 N 个阵元一维直线移向器天线

注：ϕ-相邻单元激励相位差，d-阵元间距，θ-入射角，λ-入射信号波长。

改变ϕ的值就可以改变波束的指向角θ，从而实现波束扫描[3]。

2 旁瓣问题

一般情况阵元间距和阵元个数为固定的，难以达到理想值，栅瓣、高旁瓣几乎在整个工作频带内都存在[3-4]，使得对目标方向的判断难以唯一，无法判断目标从主瓣或者栅瓣、旁瓣进来，必须采取一定的措施对旁瓣、栅瓣进行抑制。改善相控阵天线方向图，一般通过密度加权、相位加权、幅度加权等抑制旁瓣的方法，密度加权要求阵元间距随其所处的位置不同而不同，靠近中心的位置阵元间距较小，远离中心的位置阵元间距较大，这需要较高的工艺水平，和受安装位置的限制；相位加权一般在幅度加权的基础上进一步降低旁瓣，这种方法也易于实现，仅仅需要控制波控系统即可。幅度加权是抑制旁瓣主要的方法，这种方法通过控制相控阵天线不同位置阵元的激励电流幅度的方法达到抑制旁瓣的目的，通过仿真幅度加权对阵列方向性图的作用，其仿真结果如图2、图3 对比，可以看出，未加权旁瓣的抑制水平仅有-12dB 左右，加权后可达到-20dB 以上的效果。

图2 未加权0°方向图（仿真）

图3 加权0°方向图（仿真）

由此可见，采用加幅度权对旁瓣达到了优化抑制效果，即对每个通道的幅度权值不同，权重有差异。

3 使用策略分析

阵列天馈设备侦察测向的基本原理为和差波束测向。在设备系统中，阵列天馈一般采用“局部阵”方式使用，“局部阵”则利于阵列天馈的中心区域内部分阵元，用同样的和差波束方式进行测向。如图4 所示，在N×M 面阵的四个象限中，各取部分单元天线构成局部阵，如N0×M0 为最小局部阵，N1×M1 为次小局部阵，最后到N×M 全部阵。阵元数量越少波束越宽，利用局部阵的宽波束对目标进行空域搜索、测向等提高搜索速度。

图4 N x M 面阵及局部阵示意图

局部阵的应用，使得阵波束相应变宽，虽然带来阵增益、测向精度降低的损失，但由于波束宽度的增加，可以大大加快目标搜索速度。当宽波束搜索到目标后，可逐步增加局部阵的阵元数，用较窄的波束在缩小后的空域内继续搜索目标，这样可获得较高的测向精度，最后全阵接收测向、波束对准。

由此可见，权重关系为：小局部阵>次小局部阵>其他。

4 方法研究与验证

经上述分析，由相控阵天线工作原理，为解决栅瓣、高旁瓣的存在，采用各天线通路采用幅度加权，即各通道在相控阵天线系统中的作用幅度权重关系是有差异的，根据其特点可以区分出重要、一般和其他。结合“局部阵”做引导的使用方式，根据权重，确定各通道的相位一致性调整的精度要求，可分为：一级、二级、三级等精度要求，对重要的区域的精度要求加严，其他的区域精度要求适当放宽，我们将这种分区进行通道相位一致性调整的方法叫做“多通道分区修相法”。按照“多通道分区修相法”进行相位一致性调整的设备在微波暗室进行了验证，测试结果如图5 所示，旁瓣的抑制水平可达到-19dB 以上的效果，与仿真效果基本一致，满足系统指标要求。