圆柱阵列与平面阵列辐射性能对比研究

李庭浩,丛友记,牟伟琦,石 磊,黄彩华

(1.中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153;2.32212部队,北京 100093)

0 引 言

雷达通常采用4个平面阵组合或者圆柱面阵方案来实现方位四周扫描功能。平面阵列由于结构简单、后端处理技术成熟、有源部件易于集成等特点,在工程中得到广泛应用;圆柱阵列由于天然的方位全向扫描能力,且易于共形等优点,也应用于某些场合。文献[1]～[5]分别研究了平面阵与圆柱阵列天线的波束综合、波束形成等技术,但是目前将两者性能定量对比研究的文献较少。本文对比研究了两种阵列天线的辐射性能。

1 电讯仿真研究

假定雷达具有俯仰面扫描±40°、方位面要求360°的扫描能力。实际中圆柱面阵天然具有方位面全向扫描能力,而平面阵相邻阵面的方位面有波束交互需要,一般单平面阵面的方位面扫描能力要求为±48°左右。模型中的方位面副瓣假定为-18 dB以下,俯仰面不作加权处理。此外,假定平面阵与圆柱阵的各类射频损耗相同,以下将按此指标对圆柱和平面阵进行设计与仿真对比分析。

1.1 平面阵列设计

为了增大扫描范围相同时的单元排列间距,选用三角栅格排列,根据扫描范围将间距定为dx=17 mm,dy=19 mm,单元排列如图1所示,阵面规模为8×8个通道。阵列方位面采用幅度加权降低副瓣设计,理论加权副瓣为-20 dB,俯仰面不作加权处理。

图1 平面阵列排列示意图

对该规模的平面阵列进行性能仿真,结果如表1所示,平面阵面中心频点的方位面方向图如图2所示。

表1 平面阵列天线性能指标表

图2 平面阵列天线方位面方向图(中心频点)

1.2 圆柱阵列设计

按照与平面阵相同的电讯扫描范围,设计圆柱阵面的半径为100 mm,俯仰面8行单元,圆周向共有32列天线单元,即圆柱阵列规模为8×32个通道。天线单元的行间距dz=19.5 mm,圆周向相邻单元间隔角度为11.25°。由于圆柱面天然的周向均匀性,该阵面具有在方位面360°范围内扫描方向性系数几乎不下降的特点(忽略相邻列单元间隔角度之间的扫描下降),因此对于圆周向仅考虑某个扫描状态。为了比较柱面单元矩形栅格与三角栅格排列性能的差异,仿真两种不同排列形式的圆柱阵列,如图3所示。

(a)正视图(矩形栅格)

对于此规模的圆柱阵,仿真不同频点下的矩形栅格与三角栅格排列的阵面性能,分别如表2、表3所示,三角栅格排列的圆柱阵面中心频点的方位面方向图如图4所示。

表2 圆柱阵面性能汇总表(矩形栅格)

表3 圆柱阵面性能汇总表(三角栅格)

图4 三角栅格排列圆柱阵面方位面方向图(中心频点)

图5 圆柱阵面与四面平面阵尺寸对比图

可以看出:采用三角栅格后,同样的扫描范围其俯仰间距可以布得更大,从而获得更大的增益,大约较矩形栅格排列大0.3 dB。

1.3 性能对比

考虑到平面阵列工程实际中布阵时的边缘效应,其阵面边框应距离边缘单元半波长以上,建立了两种形式的阵面模型尺寸对比,如图 5所示。可以看出:四个平面阵与圆柱阵面尺寸大体相当。圆柱阵面与单个平面阵横向的幅相分布如图6所示,两种阵列的纵向幅相分布相同。

(a)幅度

在图6所示的幅相激励分布下,当射频通道规模相同时,4个平面阵组合形成的全向扫描雷达法向增益较圆柱阵约小1.0 dB,若考虑平面阵方位扫描45°时的增益下降1.3 dB,则圆柱阵面增益较平面阵大2.3 dB。由此可知:首先,在相同的增益指标下,圆柱阵面规模可以较平面阵设计得更小,省去一些射频通道,从而降低成本;其次,当雷达波束形成时,对于本平面阵仅有64个通道参与合成,而圆柱阵面则有80个通道激励合成,圆柱阵面的激励功率将较平面阵大0.76 dB,因此圆柱阵面的孔径功率积较平面阵要大3.1 dB。

2 结束语

本文对比研究了当前工程中圆周电扫描的两种天线面阵方案——四面平面阵与圆柱阵的辐射性能。在阵面有源通道数与扫描范围相同的前提下,对两种方案进行了阵面设计与性能预估。仿真计算表明,相同射频通道数下圆柱阵面增益较平面阵大2.3 dB,圆柱阵面的孔径功率积较平面阵大3.1 dB,因此在相同的增益指标下,圆柱阵面规模可以较平面阵设计得更小。在工程应用中是采用圆柱阵或四面平面阵,还须综合考虑结构设计、成本以及后端处理难度等因素。