0 引言
相控阵雷达是一种先进的雷达体制,其发展可追溯到20世纪30年代,在20世纪60年代随着各方面技术的发展,相控阵雷达迅速发展起来。由于相控阵天线具有扫描速度快、作用距离远、可同时形成多个独立波束、目标容量大、数据率和分辨率高等优点,相控阵雷达被迅速推广。在相控阵雷达中天线是区别于其他类型雷达的主要部位,相控阵雷达优越的各项性能主要来源于天线。相控阵天线一般由成千上万个阵元组成,在使用过程中难免会出现损伤,本文就对相控阵天线阵元的损伤进行了仿真与分析。
国内现有一些对天线损伤的研究,其中包括对反射面天线以及对相控阵的损伤研究。在天线建模[1]的基础上进行损伤分析。按损伤类型又可分为破片[2-7]、冲击波[8-9],以及破片和冲击波复合损伤[10-11]的研究,此外还包括部件失效对相控阵天线的影响分析[12]。国外从1991年起就开始发表阵元损伤校正的相关论文[13],其中大部分以线性阵列一个至几个阵元损伤校正为研究内容,至今有大量的研究内容已发表。在研究损伤阵元时,国内外统一把简单损伤的阵元幅度置为“0”,完好的阵元幅度为“1”,以便于进行简单的损伤分析。本文主要研究平面阵列天线在不同位置下的损伤情况,以副瓣电平为主要评估参数;并对阵面进行区域划分,提供更精确的损伤评估;对每个区域不同损伤阵元数进行修复,得出每个区域能否修复的临界值,为损伤评估与修复提供重要依据。
1 相控阵天线
图1为完好时的平面相控阵阵列,平行于x轴为行,平行于y轴为列。行与行之间间隔为dy,列与列之间间隔为dx,第(m,n)个阵元电流为Imn。二维阵列方向图的表达式为
式中,EP为阵元方向图,EF为阵元因子,AF为阵因子,xl=m·dx,yl=n·dy,λ为工作频率的波长,θ,φ为波束扫描时的角度,θ0,φ0为天线方向图最大值时的角度。
图1 完好时阵列
一般情况下不考虑阵元因子的影响,默认其为全方向性的阵子,则EP=1。式(1)变为
在本文中假设所有阵元激励的幅度相位相同,则所有的Imn为1。则式(3)变为
图2是阵元损伤时的阵列分布情况,简单的假设阵元损伤则不辐射电磁波。设定损伤的阵元激励的幅度为“0”,则阵元部分损伤的天线方向图可作如下考虑。
令Smn为等于0或等于1的常数:
把式(6)代入式(5)中可得的相控阵天线阵元损伤时的天线方向图为
图2 损伤平面阵列
2 天线结构
图3是阵面结构示意图,其中每个模块均为4×4阵面,阵面包括16个模块,以及下方的电源模块、波控模块和故障检测模块。
图3 阵面结构示意图
图4是一个简单的阵面电源控制流程图,整个阵面包括两个电源,每个电源为4个汇流条供电,每个汇流条分别为两个相邻模块供电,例如汇流条1为模块1、模块2供电。具体供电方案如图4所示。
在图3、图4基础上来讨论损伤的问题。此天线结构图仅用于理论推导,实际中情况各不相同。各相关数据仅用于理论说明,不具备参考价值。
3 天线损伤及仿真
本文中平面相控阵的基本参数为:中心频率2.5 GHz,阵元数M=16,N=16,扫描角均为0°,阵元间距为半波长。进行了切比雪夫加权,其副瓣电平为-30 dB。所画三维图以正弦空间为坐标,其中,u=sinθcosφ,v=sinθsinφ。θ取值为0°～90°,φ取值为0°～360°。
图4 阵面电源控制流程图
天线阵元完好时其三维阵因子图形以及φ取值为0°和180°的俯仰向方向图如图5所示。
图5中,俯仰向方向图的横坐标为sinθ。副瓣电平为-30 dB,由于进行了切比雪夫加权,波瓣宽度经计算得出为8.02°。
3.1 模块组件损伤
当电源的两个模块有任一损伤时,整个阵面的一半阵元无法工作,此时阵面无法正常工作,需要更换损伤的电源模块。从天线结构图中计算出电源在所有阵元具有相同损伤率时的损伤概率为5.55%。同理,当波控模块损伤时,由于波控系统的性质,所以当它损伤时整个阵面都无法正常工作,一旦损伤必须更换,其损伤概率为2.78%。图6给出电源损伤一个时的仿真结果。可见,辐射方向图已发生严重形变,不能使用。
对于汇流条,一旦损伤出现则两个模块无法工作,则可能出现2～16个偶数模块无法工作的情况。图7给出当汇流条1损坏时天线阵面的辐射方向图。
图5 完好三维天线方向图与俯仰向方向图
图6 电源1损坏的辐射方向图
图7 汇流条1损坏的辐射方向图
此时,方位向与俯仰向的副瓣分别下降为-25.1 d B与-27.5 d B。汇流条1,2,7,8对称,汇流条3,4,5,6也对称,图8给出汇流条3损坏时的辐射方向图。
图8 汇流条3损坏的辐射方向图
由图8可知,当汇流条3～6损坏时,阵面中心的阵元都将失效,且造成的后果极恶劣。方位向与俯仰向的副瓣分别下降到-15.3 dB与-25.3 dB。
3.2 损伤单个阵元
对阵面每个阵元进行损伤仿真,得到每个位置损伤时方位向副瓣电平与俯仰向副瓣电平之和的示意图,如图9所示。
图9 每个位置损伤时对应的副瓣变化图
从图9可以看出,阵元位置不同,副瓣抬高的程度不同。当边缘位置的阵元损伤时,副瓣接近完好时的-30 dB。最中心阵元损伤时副瓣电平和为-28 dB。方位向与俯仰向的副瓣均为对称。损伤阵元位置越靠近中心,副瓣抬高越多,性能下降越严重。同时也可看出单个阵元失效对阵面方向图影响较小。
由以上数据得出,损伤阵元位置对损伤情况影响较大。一旦中心位置处出现损伤,则副瓣剧烈抬高。损伤阵元的位置越靠近边缘,对方向图的影响越小。
3.3 损伤评估
在修复电源、汇流条和组件的基础上,还能调节失效阵元周围完好阵元的幅相值进行方向图重构。在进行重构以前,首先应进行损伤评估,划分受损程度,以便进一步判断是否具有重构的意义,即重构后是否能降低性能继续投入使用。
本文提出一种简便、快捷的方法判断损伤等级,首先根据3.2节中单个阵元损伤的数据对阵面进行划分。由于越靠近中心阵元失效对平面天线方向图影响越大,越靠近中心划分越细。平面划分的具体方案如下:-28 dB为第一层(最内层4个阵元);-28.1～-28.3 d B为第二层(20个阵元);-28.3～-28.9 dB为第三层(64个阵元);-28.9～-29.4 dB为第四层(44个阵元);-29.4～-30 dB为第五层(最外层124个阵元)。平面具体划分示意图如图10所示。每层失效阵元数对应的损伤等级如表1所示。
图10 阵面划分示意图
表1 每层失效阵元数对应损伤等级
在图10的基础上依次仿真每层不同阵元失效对应的方位向与俯仰向副瓣电平之和,根据失效阵元副瓣和将每层失效阵元数划分为3部分:1)-30～-25 d B内的阵元数;2)-25～-20 dB内的阵元数;3)大于-20 d B的阵元数。其中,-30～-25 dB是较优状态,可直接降低性能使用,或经过快速修复达到完好状态,本文将此区间定义为轻损;-25～-20 d B内的失效平面利用剩余完好阵元经算法校正后可达到-30～-25 dB,本文将此区间定义为中损;当阵面失效阵元数达到大于-20 dB时,阵面损伤较重,且经算法较正后性能不一定能达到-30～-25 dB,本文将此区间定义为重损。
第一层至第五层阵元失效数对应的方位向与俯仰向副瓣电平变化趋势如图11所示。
图11 各层损伤不同阵元数对应副瓣变化图
由图11中数据可得,每层随着失效阵元数递增对应副瓣值,两条虚线分别为-20 dB与-25 dB,划分失效阵元数对应的损伤等级。其中,当失效阵元数从15增加到20时,第三层的俯仰向副瓣未恶化,这是由于此时增加的失效阵元沿着方位向方向增加,例如从(12,5)阵元依次到(12,9)阵元累加失效,此时在方位向副瓣电平上体现恶化。其他随着失效阵元数增加而未恶化的情况类似。
在考虑以上阵元失效数时对应的副瓣值时,都考虑最差的情况,以保证数据的有效性。由于从阵面中心越向外,阵元失效时对天线方向图的影响越小,所以随着层数的增大,相同损伤等级对应更多的阵元数。
4 结束语
由上文可知,边缘区域损伤时对天线方向图的影响较小。中心区域一旦出现损伤则副瓣抬高严重,对整个天线的辐射性能造成极差的影响,主要通过考察副瓣电平这一指标得出。在仿真的基础上对阵面进行了区域划分,根据每个区域失效的阵元数,直接判断失效阵面的损伤等级。为修复判断提供了一种简便、迅速且有效的方法。上述结论为相控阵天线阵元损伤评估与修复提供了重要的参考价值。
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