非周期阵列形式研究

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                1  引言

                        对于大型固态有源相控阵，移相器和T/R组件的成本都使雷达的研制和生产费用大幅度上升。因此在确保天线性能的前提下尽量减少单元数目在工程应用中显得很有必要。增大单元间距是减少单元数目降低成本的有效方法.但由于单元间距比较大，如果仍然采用周期阵形式，则不可避免的会在实空间内出现栅瓣。针对这个问题本文提出采用大单元间距非周期阵列形式抑制栅瓣的方法，阐述了非周期阵抑制栅瓣的原理，并对中小规模的非周期阵列形式进行了研究，在此基础上本文还进一步研究了适应于大型相控阵的非周期阵列形式。
                         
                        2  非周期阵列抑制栅瓣的原理

                        传统的周期阵列为了避免在法向和扫描过程中出现栅瓣要求单元间距限制在1个波长以内。随着单元间距的增大,栅瓣开始在实空间出现并逐渐靠近主瓣, 使波瓣性能急剧恶化,并引起扫描增益下降,从而限制了扫描范围。
                         
                        这种由于单元间距增大和阵列周期性排列引起的栅瓣可通过在子阵级或者单元级进行非周期排列而得到一定程度的抑制。阵列的非周期性排列打破了造成高电平栅瓣的整个阵列的周期性，从而达到抑制或避免栅瓣的目的。单元级的非周期排列实现了全阵完全非周期化，在小型阵列情况下较易实现和控制。子阵级的非周期化目的是使各个子阵的栅瓣在方向余弦空间中的位置不同，从而使各个子阵的栅瓣不能叠加。而各个子阵的主波束，由于指向同一方向，在方向余弦空间中的位置相同，同相叠加。所以对于整个天线阵，其主波束的电平高度要远高于其分裂后的栅瓣高度。这种情况下子阵内部还可以是周期性排列的，这样能大大减小阵面其他部分的设计难度。采用非周期阵列形式不仅意味着单元数目少，制造成本低，还具有结构易实现、移相器总激励电流小、对电的需求量低、通风散热好的优点。
                         
                        3  非周期阵列形式的研究

                        阵列排布的非周期化可在单元级和子阵级实现.
                         
                        3.1  单元级非周期阵列形式

                        介绍了不等尺寸阵元组成的非周期阵、环形阵、旋转变形阵三种非周期阵列形式，都属于单元级非周期阵列。
                         
                        不等尺寸阵元组成的非周期阵的阵面排布如图1所示，阵面上不同部分单元大小不同，相当于单元间距不相等，从而形成了整个阵列的非周期性。
                         
       

               

       

                图1  不等尺寸阵元组成的非周期阵

                        环形阵相邻阵元间距不存在最大公约数，这使环形阵不存在栅瓣。环形阵阵面排布如图2所示：
                         
                        旋转变形阵是在环形阵基础上进行了调整。旋转变形阵也不存在栅瓣，适当选择参数和单元位置纬向偏转函数可以获得较好的波瓣性能且能适应不同口径变化的需要。旋转变形阵阵面排布仿真图如图3所示：
                         
       

                        

       

                图2  环形阵          图3  旋转变形阵

       
                 
                        3.2  子阵级非周期化阵列形式

                        在实际的工程应用中天线阵面口径往往很大，单元数目上万，单元级非周期阵虽然能获得比较优良的波瓣性能，但会增大阵面的制造和加工难度，并使阵面的其他部分例如波控和馈电方式的实现变得极其复杂。故研究适应于大型阵列的非周期阵列形式具有较大的工程应用价值。
                         
                        提出了径向等间距排列的非周期环栅阵的形式，如图4所示。由于采用三种不同种类的扇形插箱，结构安装比较方便，便于工程上实现。
                         
                        Mark L.Goldstein,Palm Bay,FL等人研究了非周期子阵栅格组成的非周期阵列，如图5所示。这种非周期阵列形式在子阵级和单元级都打乱了可能造成高电平栅瓣的阵列周期性，使法向和扫描时候的栅瓣和副瓣都能保持在比较满意的电平高度。
                         
       

                            

       

                        图4  环栅阵          图5  非周期子阵栅格

                         
                        划分非均匀邻接子阵是子阵级非周期期化的另外一种形式。这种非周期阵列自适应方向图虽然没有栅瓣但是存在主瓣附近的副瓣电平较高的问题。
                         
                        本文在深入分析了以上几种子阵级非周期阵列形式的基础上研究了由扇形子阵组成的非周期圆阵、子阵中心位置非周期排列的矩形阵、旋转超级子阵形成的非周期阵列（类似于美国的GBR-P天线阵面）几种形式，并给出了相应的阵面排布和仿真波瓣图。
                         
                        3.2.1  由扇形子阵组成的非周期圆阵

                        采用扇形子阵组成的非周期圆阵是将整个阵面划分一定数目的扇形子阵，子阵大小可以相等也可以不等，相邻子阵间具有一定的间隔，但是间隔大小不相同，形成了整个阵列的非周期性。针对这种非周期阵形式，本文给出了仿真实例：整个阵面在径向划分为22个圆环，同时沿圆周方向将阵列分割为8个子阵，阵列法向波瓣图如下所示：
                         
       

               

       

                图6  扇形子阵组成的非周期圆阵

       

               

       

                图7  法向时波瓣图

                         
                        如果采用优化算法对扇形子阵间的间距大小及子阵大小进行优化，副瓣和栅瓣电平可能降的更低。
                         
                        3.2.2  子阵中心位置非周期排列的矩形阵

                        Toyama设计了由16子阵组成的用于小型移动地球站的非周期阵，并利用最速下降法对各个子阵位置进行了优化。作者又在文献中利用遗传算法和模拟退火算法对此非周期阵进行了优化，结果表明对栅瓣具有一定得压制作用。但是文献中都只是表明在阵列对角线方向获得了良好的波瓣性能，并未反映出主平面和全空域波瓣性能最优结果可能只在对角线方向获得，因为最大的副瓣或者栅瓣不一定出现在这个方向。本文利用改进的遗传算法和粒子群算法相结合对子阵中心位置进行优化，获得了较为满意的结果，仿真结果如下所示：
                         
       

               

       

                图8  阵面排布

       

                子阵规模大小为20*20时波瓣性能如下所示：

       

               

       

                图9  法向时波瓣图

       

               

       

                图10  扫描30度的方向图

                         
                        由于阵列的非周期化，原来优异的低副瓣加权失效，使主瓣附近的副瓣抬高，可以考虑把加权与子阵位置进行同时优化，可能能够获得比较好的波瓣性能。此外增大子阵尺寸时副瓣性能有一定的改善。
                 
                        3.2.3  旋转超级子阵形成非周期阵列（类似于GBR-P）

                        子阵级非周期阵列的一种形式是将整个阵面划分为几个超级子阵，对各个超级子阵进行不同程度的旋转，而每个超级子阵仍是周期性的。旋转超级子阵之所以能降低天线阵的栅瓣电平，其原因在于各个超级子阵的栅格取向各有不同，从而使各个子阵的栅瓣在方向余弦空间中的位置不同而不能叠加。采用此种非周期阵列方式的一个较为成功的例子是美国地基雷达初样型GBR-P，根据文献中有关GBR-P天线阵面制造的数据，确定其有效口径大小为12.5米，单元间距为76mm（约2.7个波长），单元数目为16896个，单个组件输出功率（峰值）为10W[6]。本文对其阵面排布和波瓣性能进行了深入分析与研究，对其天线阵面主要性能估算如表1所示，并给出了阵面排布仿真图和相应的波瓣图仿真结果。
                         
                        表1  GBR-P天线阵面主要性能初步估算
       

增益（中频法向）		发射：60 dB                                                                                         接收：58.5 dB
扫描增益下降		约-4.4 dB                                                                                         （扫描12.5度）
扫描栅瓣		约-20dB（扫描5度）                                                                                         约-10dB（扫描12.5度）
功率孔径积		170.8 dBW
波束                                                                                         宽度	发射	0.15°
	接收	0.20°
法向副瓣电平	接收	≤-30 dB
	发射	≤-16 dB

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