相控阵空管二次雷达数字波束形成方案

杨见 谭威

摘要

基于相控阵雷达越来越凸显的诸多优势，在空管二次雷达领域也逐渐开始采用数字波束形成技术的相控阵雷达，以实现更加灵活的波束调度与控制等.本文主要对数字波束形成技术的基础理论进行分析阐述，并提出基于均匀线阵相控阵空管二次雷达实际应用的数字波束形成方案。

【关键词】二次雷达 有源相控阵 数字波束形成 DBF 均匀线阵

通过用机械、机电与电子方式改变阵列天线单元辐射信号的相位，实现天线波束指向的技术，在雷达发展初期即己为人所知，但是真正的发展则是从冷战开始，国际形势的紧张、大型战略相控阵雷达研制成功、良好的应用效果以及成本的降低等，极大的促进了相控阵技术的发展。

1 相控阵雷达技术简介及优势

用电子控制方法，实现天线波束指向在空间转动或扫描的天线称为电扫描天线，也即相控阵天线。

相控阵雷达具有天线波束快速扫描能力、天线波束形状的捷变能力、空间功率合成能力、天線与雷达平台的共性能力、多波束形成能力、空域滤波与空间定向能力等相较于传统机械扫描雷达的明显优势。

2 均匀线阵波束形成理论

假定某单个辐射源在远场区P点的电场强度为：

式中，R为天线单元至测试点距离;A为电磁波长;f（θ，φ）为天线单元辐射方向图;I₀为复振幅。

辐射源为多个阵元组成的阵列时，在远区某测试点的总场强E应用叠加定律可以认为是线阵中N个辐射单元在测试点的辐射场强之和，有：

式中，I_i可表示为a_i^-jiΔΦs其中，a_i为加权系数;ΔΦ_B为均匀线阵中相邻天线单元之间的馈电相位差。

若各天线单元方向图相同，则总场强为：

式中，d为均匀天线阵列单元间距，而r;与r₀之差与雷达至观测点距离相比较小，对场强E的影响可以忽略不计，则可以进一步简化为：θ_B为波束的最大指向·当θ_B指向法相时，ΔΦ_B=0。则上式可继续简化为：

由此可知，辐射场中某点的合成场强为所有天线单元方向图与阵列因子的乘积之和。天线单元的方向图在天线生产完毕后就己确定，故只需通过控制阵列因子也即下文的网络加权系数即可实现辐射场中合成波束的形成。

3 加权网络系数

为获得所需的天线副瓣电平，阵列中各天线单元的激励电流的幅度应按一定的照射函数进行加权;对采用数字式移相器的相控阵天线，在正常波束扫描要求的波束控制信号之外将相位加权控制信号加到阵列中某些单元的移相器上，改变阵列各天线单元激励电流的相位，同时，它可以用于降低有源相控阵天线的副瓣，允许每一个数字T/R组件例的功率放大器具有相同的输出功率电平，而无须采用具有多种输出功率电平的放大器。故加权网络系数的第一部分为形成理想波束的阵列加权值。

如15个通道的二次雷达和通道发射加权序列如图1所示。

相控阵天线馈线网络的每一个天线单元通道中，传输信号的幅度与相位应保持一致，以保证相控阵天线的性能。为了满足这一要求，必须对相控阵天线的馈线网络中个通道内信号传输过程中产生的幅度与相位进行测量与调整。因此网络加权系数第二部分则是保证通道初始状态幅相一致的补偿参数，即通过幅相校准采集的试验数据。

第三部分则是在通过初始幅相补偿后，在微波暗室采集合成波束畸变修正数据。经过理论加权序列对天线阵列传输信号进行加权后，各个通道在实际空间中辐射形成的合成波束会存在一定程度的畸变，而通过重复多次采集数据、修正、验证的过程，最终获取形成的理想波束的补偿数据。

三部分的网络加权系数相结合完成对发射/接收数据进行加权，最终实现辐射信号的波束合成。如图2所示。

4 空管二次雷达数字波束形成

4.1 发射波束形成

空管二次雷达发射波束包括辐射询问信号的和波束以及用于旁瓣抑制的控制波束。和波束主要将能量集中与主瓣，同时需对波束宽度进行适当控制，而控制波束则是用于询问旁瓣抑制，合成的波束为等幅同相的胖波束，故两者的区别在于理论加权系数序列的不同。

由于和通道辐射的波束包含P1、P3脉冲，控制通道辐射波束为P2脉冲，3两组脉冲由于不是在同一时刻辐射，故通过同一组阵列天线进行分时复用即可实现一组天线阵列辐射两个不同类型波束的目的。

4.2 接收波束形成

相控阵雷达相对于传统机械雷达优势更为明显的一点，即同一组天线接收的数据通过调用不同的接收加权参数即可实现多个接收波束的合成，每个波束的形成都是独立并行且互不干扰的。这在二次雷达领域的和接收波束、控制接收波束、差接收波束的形成上得到充分的应用。

图3即为空管二次雷达和通道数据经过接收波束合成后产生的正交数据。

参考文献

[1]相控阵雷达原理.张光义[M].国防工业出版社，2014.

[2][美]BassemR.Mahafza等著.雷达系统设计MATLAB仿真[M].中国工信集团出版社/电子工业出版社，2011.