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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)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