一种平面阵的非均匀子阵划分方法

葛佩李明滕飞

(西安电子科技大学 西安 710071)

1 引言

数字波束形成(DBF)技术，是将传统相控阵雷达中射频复加权移至数字基带上的波束形成技术，将阵列中的衰减器和移相器转化为对数字信号进行加权运算。所加的阵列权值是根据阵元获取的采样数据以及波束形成的输出数据，运用某种自适应算法进行实时更新，从而得到具有特定形状和期望零点的波束，并且达到增强有用信号、抑制干扰的目的。二维相扫的平面相控阵雷达能同时在方位角和俯仰角两个方向上实现天线波束的扫描，目前已广泛的被用于战术雷达，结合高效率的DBF技术，平面相控阵雷达多方面的性能将得到显著改善[1]。但是大型相控阵阵元数目众多，对每个阵元使用单独接收通道将导致硬件系统庞大。将多个阵元利用微波网络合成子阵，进行子阵级DBF，不但能够减少通道数目，其自适应方向图保形良好。

Nickel[2]曾研究了线阵的两种非均匀子阵结构，提出了相邻子阵中心间距无公约数的构阵原则，Ferrier[3]比较了一种非均匀邻接子阵与均匀邻接子阵结构，得出前者的自适应方向图没有栅瓣，但是副瓣电平较高。许志勇等[4]提出的等噪声功率法，虽然能抑制栅瓣，但是降维效果有限。在平面阵划分方面，Hu Hang等[5]通过GA搜索来划分面阵，得到较好的划分方式，但这种划分结构极为不规则。本文分析了几种子阵结构的特点，基于平面阵提出了非均匀子阵的构阵原则，有效的降低了平面阵的子阵级自适应处理的维数。该方法构阵结构简单，克服了栅瓣效应，有效抑制旁瓣电平，仿真表明其方向图保形良好。

2 子阵结构介绍

相控阵天线的子阵划分原则可以分为重叠子阵和非重叠子阵。重叠子阵划分的子阵相互重叠，即部分阵元被不同的子阵共用。这样可以使相位中心距离减小，栅瓣间隔增大，但其硬件复杂度太大。非重叠子阵划分可以分为邻接子阵和非邻接子阵。邻接子阵划分的子阵阵元互相邻接，硬件实现简单。子阵级处理的结构如图1。通过不同的微波网络形成不同的子阵，每个子阵对应一个接收通道。

图1 子阵结构框图

平面阵的均匀邻接子阵结构中，每个子阵阵元数目相同，阵元排列结构一致。因此每个子阵合成的微波网络相同，硬件结构简单。由于每个子阵结构完全相同，每个子阵的阵列方向图一致，可以求的合成方向图函数为:

由式(3)可推出均匀子阵划分的等幅均匀平面阵出现栅瓣[6]的条件为:

平面阵的非均匀邻接子阵结构，每个子阵阵元个数不等，阵元排列不都相同。因此方向图函数表示为:

式中，fMN(θ，φ)表示(M，N)子阵的阵因子;DM和DN表示子阵相位中心在方位角和俯仰角方向的位置，以阵元间距为单位。由此可以看出，非均匀邻接子阵结构可以打乱相位中心位置的重复性，克服栅瓣现象。

3 平面阵非均匀子阵结构

3.1 设计子阵结构

根据以上内容的分析，得出一种简单实用的平面阵划分方法，其特点是:

划分的子阵在行和列方向均为中心对称结构

行划分和列划分形式尽量相同

每个子阵的规模差距较小

子阵间不重复使用阵元

子阵相位中心没有重复性

根据上述特点，本文给出了平面阵的划分结构。假设O×Q个阵元的平面阵，划分为M×N个子阵，首先按照提出的特点在行方向上，将相邻的若干子阵合成一组;然后在列方向上进行类似的划分。取阵元数为16×16，阵元间距为d=λ/2，被划分为4×4个子阵，阵元噪声功率σ2=1，利用本文所提出的划分原则，得到一种子阵划分结构如图2所示。该平面阵的子阵结构仅需要三种微波网络，合成结构简单，自适应性能良好。

图2 子阵划分结构

3.2 仿真结果与分析

仿真1

取一维等距线阵模型，阵元数为N=40，阵元间距d=λ/2，子阵级加－30dB泰勒加权，划分为8个子阵。非均匀划分方案为[6 5 5 4 4 5 5 6]。

图3和图4分别为均匀子阵划分和非均匀子阵划分的等距线阵加窗的方向图。从图中可以看出，均匀划分阵列子阵级加泰勒窗，其第一旁瓣为－25.13dB，而非均匀划分子阵级加泰勒窗，其第一旁瓣为－23.97dB，第一旁瓣电平下降了1.16dB。非均匀划分子阵级波束形成，在一定程度上减弱了栅瓣效应，其性能优于均匀划分的阵列。

图3 均匀子阵划分

图4 非均匀子阵划分

仿真2

取一维等距线阵模型，阵元数为N=40，阵元间距d=λ/2，阵元无幅度加权，划分为8个子阵。非均匀子阵划分方案一为[6，5，5，4，4，5，5，6]，方案二为[8，6，4，2，2，4，6，8]。信号和干扰均为窄带，信号方向为0°，干扰方向为(－35°，20°，45°)，干扰噪声均为50dB，噪声为平稳的零均值的带限高斯过程，噪声间相互独立，且与信号不相关，快拍数为400。

图5 阵元级自适应方向图

从图5中可以看到，无论是均匀子阵还是非均匀子阵，都能和全自适应阵一样，有效的抑制来自不同方向的干扰，而且置零深度也很深，可以达到－80dB以下。图6均匀子阵的阵列方向图主瓣发生了畸变，主瓣的不对称，第一副瓣电平为 －12.87dB，而且产生很深的栅零点，影响了阵列对有用信号的有效接收;图7非均匀划分方案一的第一旁瓣达到－15.98dB，比均匀划分时低了3.11dB，图8非均匀划分方案二的第一旁瓣达到－19.23dB，低于均匀划分6.36dB，其干扰抑制效果明显，零深均低于80dB，没有栅零点。

仿真3

取二维竖面平面阵模型，阵元数为16×16，阵元为全向阵元，x轴方向与z轴方向阵元均为均匀排列，阵元间距都为λ/2。设期望信号为俯仰角与方位角为(0°，0°)，有2个确知的窄带干扰信号，俯仰角与方位角分别为(－35°，15°)和(20°，－30°)，干噪比均为 50dB，天线在 －90°，90°范围内扫描。均匀子阵划分为4行4列，非均匀子阵划分结构如图2。以下仿真为合成方向图。

图9(a)、图9(b)和图9(c)分别为全自适应方法、均匀划分子阵级自适应方法和本文中的非均匀划分子阵级自适应方法得到的二维相扫的自适应方向图。可以看出，两种子阵划分的自适应方法都可以达到和全自适应方法相同的干扰抑制效果，自适应零陷均可以达到－100dB。从图9(a)可以看出，全阵列自适应处理，方向图形状良好，旁瓣高度均匀。图9(b)中均匀划分子阵的自适应方向图，产生了很高的旁瓣和很多的栅零点，这是由于均匀划分子阵的相位中心间距大于λ/2，且分布均匀，产生的栅瓣效应在某些方向累积的结果。均匀划分所产生的栅瓣效应可能会导致旁瓣升高和主瓣畸变，因此在实际中的应用受到限制。图9(c)中非均匀划分的自适应方向图，不但很好的抑制了干扰，同时没有栅零点，栅瓣水平较低，保证了有用信号的有效接收。两种方法的俯仰角方向最大旁瓣电平对比如表1所示。从表中可以明显看出，在11°和－17°两个俯仰角方向上，旁瓣电平分别下降了10.61dB和1.01dB。

表1 旁瓣电平增益表

全阵元自适应没有栅瓣效应;均匀划分子阵级自适应由于其栅瓣效应明显，在自适应抑制不同角度干扰的时候，可能会导致旁瓣升高和主瓣畸变;非均匀划分子阵级自适应，很好的改善了这种情况，方向图能够保持较好的形状，主瓣不会出现畸变。因此，该非均匀子阵结构不仅改善了均匀划分子阵方法的栅瓣效应，构阵结构简单易行，自适应性能和方向图保持良好。

4 结束语

本文首先介绍了平面阵现有几种子阵结构的特点，给出了均匀子阵结构出现栅瓣的条件，针对其缺点提出了平面阵非均匀子阵的划分原则，并提出了一种简单的平面阵非均匀子阵划分结构。仿真实验表明，该非均匀划分结构能够减轻栅瓣效应，其旁瓣电平得到了改善，自适应性能保持良好。

[1]张光义，赵玉杰.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社，2007.

[2]Nickel U.Subarray configurations for digital beamforming with low sidelobes and adaptive interference suppression[A].IEEE Conf.on Radar[C].IEEE，1995，714 －719.

[3]Ferrier J.M.et al.Antenna subarray architectures and anti－jamming constraints[A].Proceedings of The Int.Conf.on Radar[C]，Paris:1994，466 －469.

[4]许志勇，保铮，廖桂生.一种非均匀邻接子阵结构及其部分自适应处理性能分析[J].电子学报，1997，25(9):20 －24.

[5]Hu Hang，Qin Weicheng.Research on Subarray Partitioning of Planar Phased Array with Adaptive Digital Beamforming[C].IEEE 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies for Wireless Communications，Hangzhou，China:[s.n.]，2007，691 －694.

[6]胡航，靖涛.一种由非均匀子阵构成的DBF方向图的设计方法[J].系统工程与电子技术，2000，22(6):29 －31.