低旁瓣级高频相控阵的设计方法

钟琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

低旁瓣级高频相控阵的设计方法

钟琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

高频宽带相控阵是声多普勒海流剖面仪（ADCP）的核心组成部分。文章着重介绍了在不影响声源级的情况下，如何设计低旁瓣值的高频相控阵，对实测结果进行分析，证明所提设计方法是可行的。

低旁瓣级；高频宽带；相控阵

高频相控阵是声多普勒海流剖面仪(ADCP)的核心组成部分，ADCP是应用于舰船、潜艇和水下航行器的底跟踪、航速测量、海流测量和自身水下定位的水声设备。相控阵有体积小、声源级高的优点，可应用于深海、湖泊的检测和控制，有较好的市场前景和较高的社会效益。

ADCP为了提高测速的测试精度和减少噪声带来的干扰，往往要求相控阵能有更高的发射响应、接收灵敏值和更低的旁瓣级。

1 设计方法

ADCP相控阵通常设计为圆形平面阵，因为这是流体动力学上一个理想的形状，而且基阵的各个子阵的参数也是一致的[1]。相控阵是由n级4元阵组成的4n元线列阵扩展成的一个圆面阵，这个圆面阵内的基元是中心对称分布的。我们利用线列阵组合平面阵的原理来进行布阵[2]。n级ADCP相控阵指向性的函数为[3]：

高频相控阵通常采用压电颗粒来设计基元，这种方法的电路可实现性强且基元之间的耦合性好。声源级不变、实现低旁瓣级可以通过两种方法实现：一是通过改变布阵设计来实现，减小基元间距，增加基元数量；二是通过提高基元之间的一致性和耦合性。当然，这两种方法在结构和工艺可实现情况下，可同时采取。

2 Matlab仿真

改变布阵间距，使其间距不大于半波长，在机械加工能实现的情况下尽量增大基元的辐射面，可以提高声源级和降低旁瓣。

通过Matlab仿真，分别计算阵元数为904、间距为0.707λ和阵元数为1 296、间距0.6λ的相控指向性图，两个基阵的旁瓣值分别为0.16（−15.92 dB）和0.149（−16.54 dB）。可见同样外形尺寸下，基元间距减小，意味着基元尺寸减小，基元数量增加，是可以减小旁瓣值。如图1、图2所示。

图1 间距为0.707λ的波束图

图2 间距为0.6λ的波束图

我们再来计算基元不一致性给相控指向性带来的影响。图1、图2是理想状态下，不考虑不一致性的结果，图3是904个基元方案，基元的性能不一致性设计为20%的计算结果，旁瓣值为0.168（−15.5 dB），计算时加入了一个rand随机函数。图4是基元的性能不一致性设计为30%的计算结果，可以看出不仅旁瓣值大了（为0.21，−13.55 dB），而且相控波束的最大值也受到影响，归一化的结果为0.98，这是说明增加了随机函数，声源级会受到影响。

图3 基元的性能不一致性为20%的波束图

图4 基元的性能不一致性为30%的波束图

所以高频基阵的装配工艺要求很高，但在实际操作中，很难达到如此高的精度，而且基元也不能做到如此大量的筛选来保证一致性。

3 方案实施及结果分析

高频颗粒型换能器通常会采用灌注层技术来将基元的性能拉平，实现一致性的提高。另外，增加背衬层可以降低换能器的特性阻抗，在与水匹配及拓展带宽上有很大的优势。为了解增加背衬层带来的性能影响，制作了几个同样尺寸的小样阵，对其进行测试得到结果见表1。由表1中的数据可以看出，装配工艺对基阵性能是有影响的，1#与3#数据差别较大。另外，有背衬层的换能器的效率要高（5#、6#），这个结果是符合理论的，而且选择合适参数的背衬层，其发射响应值也不低（6#）。所以，根据6#换能器的参数制作2个有背衬层的大阵，基阵外形尺寸一致。一个是904个基元，间距为0.707λ；一个是1296个基元，间距为0.6λ。两个基阵的实测相控指向性图见图6、图7。旁瓣分别是0.2（−14 dB）和0.13（−17.72 dB），图5是以前制作的没有背衬层的基阵，旁瓣是0.257（−11.8 dB）。由此可以验证我们采取的两个方法是有效的。

表1 小样阵的测试数据

图5 间距为0.707λ基阵无背衬层的实测波束图

图6 间距为0.707λ基阵有背衬层的实测波束图

图7 间距为0.6λ基阵有背衬层的实测波束图

另外，从表2中的测试数据来看，背衬层确实能使得基阵的声学性能更好。