基于子阵重叠结构的子阵划分技术研究

陈建锋, 吴　海

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州225001)



基于子阵重叠结构的子阵划分技术研究

陈建锋, 吴海

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州225001)

摘要：对大型阵列进行子阵划分能减少系统控制的路数，子阵级加入时延控制扩展了瞬时带宽。对子阵划分进行重叠排布，提供了窗函数的效果，有效抑制了由子阵划分所引起的过密栅瓣。子阵单元级和子阵级分别进行加权操作，提供了较低的副瓣。

关键词：电扫阵列；子阵重叠；栅瓣抑制；子阵叠加比

0引言

相控阵天线作为一种电子扫描天线(ESA)，通过改变各辐射单元的幅度、相位来实现天线波束指向在空间中的转动[1]。

相比于传统的机械扫描天线，相控阵天线具有扫描速度快、目标数据率高、多目标跟踪能力强等优点，能显著提高武器系统的技术性能和作战性能，是当代信息战的重要信息来源，并担负着警戒、跟踪、火控、导航、舰载机的引导以及气象探测等多项任务[2]。

然而，对于大型阵列来说，由于收发组件以及时间延迟等器件价格昂贵，使得阵面制造成本过高而难以推广。采用子阵结构可以减少ESA所需的控制单元组件的数量，从而减小整机的计算复杂度，降低设备的计算成本。但同时子阵结构也会使扫描性能受到限制，且划分的子阵单元数越多，其在工作频段内栅瓣影响越严重。

对原有子阵进行重叠构造，并对波束进行加权赋形，能够有效改善工作频段内栅瓣影响，同时提高瞬时带宽。

1子阵波束形成

阵列天线子阵划分的拓扑结构有很多，这些结构都会使用多个移相器、时延模块或者数字波束形成器等，且每种结构都有其优势和局限。常见结构如图1所示。

划分子阵后的阵列一维方向图可表示为[3]：

(1)

式中：E表示阵元方向图，这里用余弦函数的乘方形式来表示；ASA表示阵元级子阵方向图；AP则表示阵列后端子阵方向图。

因此，图1(a)所示的方向图公式为：

(2)

式中：R为每个子阵的阵元数；P为阵列所划分的子阵数;xp为重叠子阵间距；ar、bp为对应的权系数。

图1　阵列天线子阵划分的拓扑结构

用N=R×P表示总的阵元数,对应的方向图如图2所示，其中N取16。随着子阵单元数的增加，子阵间的间距也会增大，根据一维阵列栅瓣公式，会有更多的栅瓣进入扫描区间，则：

(3)

图2为阵元级方向图，当子阵单元数为4时，在±40°内就已经出现了栅瓣，但由于单元级阵因子的2个零点限制，减少了栅瓣对最终综合方向图的影响。

图2　子阵划分方向图

当ASA开始扫描时，由于单个阵元不扫描，阵元级方向图的栅瓣将从单元级阵因子的零点位置移开，此时栅瓣将恶化整个综合方向图，如图3所示。扫描角为10°时已有多个栅瓣出现在工作区内。

图3　阵元级方向图扫描

提高单元级扫描能力可以改善此现象，即在单元级连接移相器，同时在子阵级连接时延模块，在保证扫描能力的前提下也扩展了瞬时带宽，如图1(b)所示。对于电扫描阵列，其瞬时带宽可表示为[4]：

(4)

式(4)说明电扫阵列瞬时带宽与阵列尺寸L以及扫描角正弦成反比。在子阵级连接时延模块后，阵列尺寸L将由子阵尺寸LSA代替。此时：

(5)

式中：P为子阵数。

对于上例，子阵数目为4时，P为4，即瞬时带宽将扩大为原来的4倍。

电扫阵列工作在中心频率之外时，使用如上子阵方式可以扩展其工作带宽，但是在主波束之外的角度，由于阵元级方向图的栅瓣与单元级阵因子的零点位置错开一个角度，阵元级方向图过密的栅瓣将恶化整个综合方向图，如图4所示。为了与下文对应并体现子阵对大型阵列的优化作用，图4对应总单元数为120的阵列，子阵单元数为12。由图4可以看出，阵列工作在非谐振频率处、扫描角指向30°时，工作范围内有多处栅瓣抬高。

2子阵重叠波束形成

电扫阵列子阵划分方案是为了减少系统控制单元，扩大瞬时带宽，但工作频率偏离中心频率时，子阵方向图发生的偏斜，使得综合方向图内出现多处栅瓣，这直接限制了系统带宽的扩展。

为了降低副瓣，往往需要通过加权来对波束进行赋形。对于上节所述的子阵结构，在单元级子阵

进行加权，则子阵内的单元数量过少对于加权操作是不利的，而单元数过多又会增加子阵间的间距，引起阵元级方向图内出现过密的栅瓣；在子阵级进行赋形，并不会减少栅瓣的数量，这对于最终的综合方向图优化意义不大。

图4　子阵在非谐振频率处性能受扫描角的影响

图5　重叠子阵结构

每个单元都经过一个1/3的功分网络将信号分流，并通过4/1和3/1的网络将信号合并。每一路信号都进行了加权操作，合并后的信号通过时间延迟模块来提高扫描的稳定性。而在数字波束形成(DBF)中，可在每路合并信号后连接一个接收信道来进行时延控制，然后将通道进行数字合成[5]。

采用子阵重叠的一维方向图同样能用式(1)表示，只需将对应的参数进行修正即可，即：

(6)

式中：R为子阵单元数；P为重叠子阵数目；对应的xp为重叠子阵的间距。

阵元级连接时延模块使得阵列后端子阵AP公式中的工作波长和谐振波长一致，方向图最大值对应的扫描角将与工作波长无关。

在单元子阵内采用泰勒加权，各个单元的相对电平为：

采用子阵重叠结构后的阵列方向图如图6所示。

图6　重叠子阵方向图，单元级Taylor加权

由图6可以看出，当工作频率偏移谐振频率时，单元阵因子会发生偏斜；而子阵级加入的时延控制使得阵元级方向图指向不随频率变化，综合后的方向图除了增益有一定损耗外，波束指向并不改变；而且子阵重叠结构能够提供窗函数的效果，有效抑制了阵元级方向图中的栅瓣在综合方向图中的出现。通过对各个子阵进行加权还能进一步控制综合方向图的副瓣高度，依然使用Taylor综合法对10路子阵进行加权，方向图如图7所示。

图7　单元级和子阵级分别进行加权的重叠子阵方向图

3结束语

本文以一维电扫阵列为例，分析了子阵划分对

阵列天线方向图的影响。不难看出，子阵划分可以减少控制单元的路数，这对于扩大瞬时带宽、降低DBF自适应算法复杂度和计算量等方面是有很大帮助的，但子阵级方向图过密的栅瓣却限制了整个阵列性能。子阵重叠结构排列能够克服这一问题，保证子阵单元数量进行加权操作的同时，减小子阵之间的排列间距，通过子阵单元级和子阵级加权赋形可以提供窗函数的效果，抑制栅瓣的同时更好地控制副瓣的高度。本文通过实例验证了此方法的可行性，通过公式推演也能简单地应用到二维阵列上。

参考文献：

[1]张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]叶显武.舰载相控阵雷达的技术发展与应用[J].现代雷达，2012(6)：5-8.

[3]BROWNAD.电扫阵列——MATLAB建模与仿真[M].汪连东，孔德培，乔会东，等译.北京：国防工业出版社,2014.

[4]李黎.宽带相控阵天线综合[D].西安：西北工业大学，2006.

[5]唐建生，孙超.基于子阵合成的宽带波束形成方法[C]//陕西省声学学会.中国声学学会2005年青年学术会议.西安：陕西省声学学会，2005:231- 233.

Research into Subarray Division Technology Based on Overlapped Subarray Architecture

CHEN Jian-feng,WU Hai

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Dividing large-scale array into subarrays can reduce the system control routes.In order to widen instantaneous bandwidth,the time delay control is introduced in subarray.Window function effect can be provided by overlapping subarray division,which effectively suppresses the over crowded grating lobe due to subarray division.Weight is separately performed in subarray unit level and subarray level,which provides relatively low side lobe.

Key words:electronically scanned array;overlapped subarray;grid lobe suppression;overlapped subarray ratio

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.021

中图分类号：TN821.8

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0095-04

收稿日期:2015-09-17