非周期陣列形式研究

1 引言

對(duì)于大型固態(tài)有源相控陣，移相器和T/R組件的成本都使雷達(dá)的研制和生產(chǎn)費(fèi)用大幅度上升。因此在確保天線性能的前提下盡量減少單元數(shù)目在工程應(yīng)用中顯得很有必要。增大單元間距是減少單元數(shù)目降低成本的有效方法.但由于單元間距比較大，如果仍然采用周期陣形式，則不可避免的會(huì)在實(shí)空間內(nèi)出現(xiàn)柵瓣。針對(duì)這個(gè)問題本文提出采用大單元間距非周期陣列形式抑制柵瓣的方法，闡述了非周期陣抑制柵瓣的原理，并對(duì)中小規(guī)模的非周期陣列形式進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上本文還進(jìn)一步研究了適應(yīng)于大型相控陣的非周期陣列形式。

2 非周期陣列抑制柵瓣的原理

傳統(tǒng)的周期陣列為了避免在法向和掃描過程中出現(xiàn)柵瓣要求單元間距限制在1個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)。隨著單元間距的增大,柵瓣開始在實(shí)空間出現(xiàn)并逐漸靠近主瓣, 使波瓣性能急劇惡化,并引起掃描增益下降,從而限制了掃描范圍。

這種由于單元間距增大和陣列周期性排列引起的柵瓣可通過在子陣級(jí)或者單元級(jí)進(jìn)行非周期排列而得到一定程度的抑制。陣列的非周期性排列打破了造成高電平柵瓣的整個(gè)陣列的周期性，從而達(dá)到抑制或避免柵瓣的目的。單元級(jí)的非周期排列實(shí)現(xiàn)了全陣完全非周期化，在小型陣列情況下較易實(shí)現(xiàn)和控制。子陣級(jí)的非周期化目的是使各個(gè)子陣的柵瓣在方向余弦空間中的位置不同，從而使各個(gè)子陣的柵瓣不能疊加。而各個(gè)子陣的主波束，由于指向同一方向，在方向余弦空間中的位置相同，同相疊加。所以對(duì)于整個(gè)天線陣，其主波束的電平高度要遠(yuǎn)高于其分裂后的柵瓣高度。這種情況下子陣內(nèi)部還可以是周期性排列的，這樣能大大減小陣面其他部分的設(shè)計(jì)難度。采用非周期陣列形式不僅意味著單元數(shù)目少，制造成本低，還具有結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)、移相器總激勵(lì)電流小、對(duì)電的需求量低、通風(fēng)散熱好的優(yōu)點(diǎn)。

3 非周期陣列形式的研究

陣列排布的非周期化可在單元級(jí)和子陣級(jí)實(shí)現(xiàn).

3.1 單元級(jí)非周期陣列形式

介紹了不等尺寸陣元組成的非周期陣、環(huán)形陣、旋轉(zhuǎn)變形陣三種非周期陣列形式，都屬于單元級(jí)非周期陣列。

不等尺寸陣元組成的非周期陣的陣面排布如圖1所示，陣面上不同部分單元大小不同，相當(dāng)于單元間距不相等，從而形成了整個(gè)陣列的非周期性。

圖1 不等尺寸陣元組成的非周期陣

環(huán)形陣相鄰陣元間距不存在最大公約數(shù)，這使環(huán)形陣不存在柵瓣。環(huán)形陣陣面排布如圖2所示：

旋轉(zhuǎn)變形陣是在環(huán)形陣基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。旋轉(zhuǎn)變形陣也不存在柵瓣，適當(dāng)選擇參數(shù)和單元位置緯向偏轉(zhuǎn)函數(shù)可以獲得較好的波瓣性能且能適應(yīng)不同口徑變化的需要。旋轉(zhuǎn)變形陣陣面排布仿真圖如圖3所示：

圖2 環(huán)形陣 圖3 旋轉(zhuǎn)變形陣