天线副瓣对雷达探测的影响研究∗

董鹏曙,金加根,谢幼才,王志纲

(空军预警学院,湖北武汉430019)

0 引言

天线在雷达中占有非常重要的地位,其作用是向探测空域辐射大功率的电磁波,并接收目标反射的微弱信号。在对雷达探测性能进行分析时,通常只考虑天线增益、波束宽度等参数[1-2]。实际上,任何雷达天线都有副瓣,而且覆盖主瓣以外的所有区域。天线副瓣对雷达探测的影响主要包括三个方面:一是在发射的过程中,副瓣辐射的电磁波分散了发射能量,降低了主瓣照射功率;二是在接收的过程中,副瓣接收的杂波与主瓣接收的杂波叠加在一起,增加了杂波的强度;三是副瓣给有源干扰提供了进入的通道。由此,导致雷达探测性能的下降。本文主要分析天线副瓣辐射对雷达探测性能的影响。

1 理论分析

1.1 副瓣辐射分析

为了简化分析,以两坐标雷达为例。假设天线主瓣的零点波束宽度为θ0,主瓣范围以内单位方位角的平均辐射功率为P m,主瓣范围以外单位方位角的平均辐射功率为P r,天线总辐射功率为P,则

定义主瓣以外单位方位角平均辐射功率P r与主瓣内单位方位角的平均辐射功率P m的比值为平均副瓣,则

由此可得主瓣辐射功率为

显然,主瓣辐射功率小于总辐射功率。将副瓣辐射对主瓣辐射的影响定义为副瓣损耗因子,则

1.2 副瓣接收分析

为了保证对低空空域的覆盖,雷达一般将俯仰面主波束设置为3 dB触地。在主波束触地范围内,面杂波(包括地杂波、海杂波)是目标探测的主要障碍,面杂波的强弱一般用杂波反射面积σc来表征[3]。

式中,σ0为面杂波单元的归一化反射系数;0.5cτsecα为分辨单元距离向的长度,α为雷达照射的倾角;Rθ0为分辨单元方位向的宽度。主瓣杂波单元如图1所示。

图1 主瓣杂波单元、副瓣杂波单元示意图

天线副瓣辐射功率同样也接收杂波,而且覆盖主瓣以外的所有区域。为了简化分析,假设在相同距离上面杂波的特性一致,归一化反射系数均为σ0,将副瓣杂波反射面积记为σcsll,则

在接收机中,主瓣杂波和副瓣杂波混合在一起,构成总的杂波。考虑天线主瓣、副瓣增益和收发双程因素,总的杂波反射面积为

将副瓣辐射对杂波反射面积的影响定义为杂波增强因子K,则

一般而言,雷达天线副瓣电平优于-20 dB,雷达天线平均副瓣比最大副瓣电平低3～12 dB[4-6],上式中第二项的数值在0.01以下。因此,副瓣辐射对杂波的影响可忽略不计。

1.3 副瓣干扰分析

情报雷达天线通常是圆周扫描工作,干扰对准主瓣的时间极短,对准副瓣时间极长,干扰主要通过副瓣进入。雷达抗副瓣干扰能力可用副瓣自卫距离来度量[7-8]。

雷达主瓣接收目标回波信号功率为

式中,Pt为主瓣辐射功率;G为天线增益;λ为发射信号波长;σ为目标雷达截面积;R为目标距离;L为损耗。接收系统噪声功率为

式中,k为波耳兹曼常数;T为系统噪声温度;B为接收机噪声带宽。雷达副瓣接收干扰信号功率为

式中,Pj为干扰机辐射功率;Gj为干扰机天线增益;Gr为雷达天线副瓣增益;Rj为干扰机距离;γ为极化失配系数。在干扰背景中探测目标,必须满足

式中,KJ为信号检测所要求的最小信干比。

当雷达天线副瓣增益为0(即理想无副瓣天线)时,没有副瓣干扰,雷达探测仅受噪声影响,其探测距离取最大值:

式中,Kmin为信号检测所要求的最小信噪比。

当天线副瓣增益不为0,则有

雷达副瓣自卫距离为

假设信号检测所要求的最小信噪比、信干比相等,则

式中,αj,βj分别为雷达天线主瓣接收干噪比和副瓣接收干噪_比,且

由此可得

雷达副瓣自卫距离由雷达最大探测距离、主瓣接收干噪比和天线平均副瓣电平等决定。

1.4 副瓣对雷达探测的影响分析

副瓣辐射对雷达探测的影响主要体现在最大探测距离和副瓣自卫距离上。雷达在无干扰环境下探测远距离目标时,其主要限制因素是噪声。副瓣辐射的影响是使主瓣辐射功率降低倍。因此在雷达方程总的损耗因子中,还需要考虑副瓣损耗因子。

2 计算分析

2.1 副瓣损耗

表1给出了天线主瓣的零点波束宽度θ0、平均副瓣取不同的值时,副瓣损耗因子的计算结果;图2给出副瓣损耗因子随零点波束宽度θ0、平均副瓣的变化情况。

表1 副瓣损耗因子

表1 副瓣损耗因子

θ0/(°) SLL/dB________________-20_______-27__________________________-30_-35 13691 2 15 18 21 24 27_________30 0.2179 0.4566 0.6289 0.7194 0.7752 0.8130 0.8403 0.8613 0.8772 0.8905 0.9009__0.5826 0.8081 0.8946 0.9278 0.9453 0.9561 0.9635 0.9688 0.9728 0.9760 0.9785__0.7358 0.8936 0.9443 0.9625 0.9718 0.9775 0.9814 0.9842 0.9862 0.9881 0.9891__0.8977 0.9634 0.9814 0.9881 0.9911 0.9930 0.9940 0.9950 0.9960 0.9960 0.9970

图2 副瓣损耗因子与平均副瓣电平、零点波束宽度关系曲线

由表1和图2可以看到:

(2)对警戒雷达而言[8],其半功率点波束宽度θ0.5一般为5°～10°,零点波束宽度θ0为15°～30°,平均副瓣电平优于-20dB,副瓣损耗因子在1dB以下,可忽略不计。对引导雷达而言[8],其半功率点波束宽度θ0.5一般为1°～2°,零点波束宽度θ0为3°～6°,平均副瓣电平优于-30dB时,副瓣损耗因子在0.5dB以下,可忽略不计;平均副瓣电平在-27～-20 dB时,副瓣损耗因子在1～3.5 dB之间,计算雷达最大探测距离时应予考虑。

2.2 副瓣自卫距离

取雷达与干扰机的典型参数如表2所示,计算可得主瓣接收干噪比αj可达106量级。

表2 雷达与干扰机参数

图3给出了主瓣接收干噪比αj为105～108时,雷达副瓣自卫距离与平均副瓣电平的关系曲线。

图3 副瓣自卫距离与主瓣接收干噪比、平均副瓣电平关系曲线

由图3可以看到:

(1)干扰越强,雷达副瓣自卫距离越小。

(2)当干噪比很高时,副瓣自卫距离与平均副瓣电平呈线性关系:平均副瓣电平每降低4 dB,副瓣自卫距离增大1 dB,约增加25.9%。

3 结束语

理论分析和计算表明,天线副瓣对雷达最大探测距离有一定的影响,对副瓣自卫距离有较大的影响。对警戒雷达而言,副瓣损耗因子对最大探测距离的影响很小,一般可忽略不计。对引导雷达而言,天线副瓣较低时(平均副瓣电平优于-30 dB),副瓣损耗因子对最大探测距离的影响可忽略不计;天线副瓣较高时(平均副瓣电平-27～-20 dB),副瓣损耗因子在1～3.5 dB之间,计算雷达最大探测距离时应予考虑。对所有雷达而言,副瓣电平每降低4 d B,副瓣自卫距离均增大1 dB。本文分析结论对雷达总体设计及探测性能分析计算有一定的参考价值。

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