如何優(yōu)化天線的主瓣和旁瓣？

我們知道，減小旁瓣往往會增加主瓣寬度，反之亦然。為了獲得預(yù)期的波束寬度關(guān)鍵在于主瓣的設(shè)計，而旁瓣通常會產(chǎn)生不利的影響，因為旁瓣是導(dǎo)致主瓣增益減小、掩蓋小目標、引入虛假目標以及其它信號偽影的原因所在。

大部分減少旁瓣的方法對發(fā)射/接收天線方向圖都適用，但是通常會降低發(fā)射效率。由于系統(tǒng)的性能是一個與發(fā)射天線方向圖和接收天線方向圖的乘積有關(guān)的函數(shù)，因此通常會盡可能地減少旁瓣來提高系統(tǒng)的接收能力。

振幅加權(quán)

根據(jù)特定的條件，我們對每個單元的增益和相位進行校準來優(yōu)化陣面的性能、增強主瓣、減小旁瓣，這個過程被稱作加權(quán)。

在發(fā)射和接收模式中，通過減小陣面邊緣波束的功率都可以減小旁瓣。然而，減小旁瓣的同時也減小了有效孔徑尺寸，加寬了主瓣的寬度。在發(fā)射模式中，非均勻的加權(quán)是有問題的，因為功放通常工作在飽和狀態(tài)下，當其在非飽和狀態(tài)下工作時會降低效率。對于發(fā)射和接收模式，被減小的有效面積都被稱作孔徑效率或者孔徑錐度效率。

加權(quán)一般適用于陣面中獨立的單元或者連續(xù)源的整個孔徑。如果權(quán)重是實數(shù)，其只對振幅產(chǎn)生影響；如果權(quán)重是虛數(shù)，其對振幅和相位都產(chǎn)生影響。對陣面的加權(quán)是很簡單的；通過對增益和相位的控制也能實現(xiàn)可變的權(quán)重，同時也能改變波束指向。

當權(quán)重一致的時候，主瓣峰值增益最大。這種情況通常用在發(fā)射模式中，因為它能最好地利用有效功率。這就使接收模式承擔了減少旁瓣的任務(wù)，因為收發(fā)天線方向圖（發(fā)射天線方向圖和接收天線方向圖的乘積）共同決定了系統(tǒng)的性能。

如果我們處理收發(fā)兩用的天線方向圖，例如雷達，我們通常選擇與發(fā)射權(quán)重不一致的接收權(quán)重，使得其中一個的最小值與另一個的最大值保持一致，目的是減少兩種模式下峰值旁瓣電平。

旁瓣是由于陣面邊緣不連續(xù)引起的。反射面天線通常處于照射的狀態(tài)下以減少或消除邊緣影響。同樣的方法在電子掃描陣列中也很容易實現(xiàn)。這種技術(shù)的效果是減少天線的有效面積，從而降低了天線增益，加寬了主瓣寬度。此方法的靈活性是以每個輻射單元的低效利用為代價的，例如實際輻射功率低于最大輻射能力。

增益損失可以通過孔徑效率進行量化，將陣面的增益與所有單元增益的和進行比較（均勻照射的情況）。

峰值旁瓣比

旁瓣在天線方向圖中是普遍存在的，一般只會帶來負面影響。這個問題與目標探測和圖像處理的模糊性息息相關(guān)。對于目標探測，旁瓣探測到的大目標類似于主瓣探測到的平均值，可能會掩蓋小目標。

對于圖像處理，旁瓣可能會復(fù)制場景圖像，抵消低層圖像的實際場景，產(chǎn)生混亂圖像的偽影。此外，旁瓣為噪聲進入系統(tǒng)提供了一條路徑，但是沒有與噪聲相應(yīng)的信號。為了抑制旁瓣付出了很多努力。

峰值旁瓣比的計算是很容易的。峰值旁瓣比是與主瓣增益相比，最大旁瓣的增益。對于均勻照射的方孔，峰值旁瓣比為-13.2dB。對于均勻照射的圓孔，峰值旁瓣比為-17.6dB。我們需要更小的峰值旁瓣比，一般在-30~-50dB之間。對于沒有柵瓣的天線方向圖，最大旁瓣通?？拷靼?。然而，對于有柵瓣的天線方向圖，最大旁瓣可能出現(xiàn)在距離主瓣很遠的位置。

積分旁瓣比

積分旁瓣比是一個更加復(fù)雜的參數(shù)，其定義為旁瓣的總能量與主瓣的總能量的比值。一個類似的特征參數(shù)就是主瓣功率占總功率的百分比，它可以寫成1/（1+ISLR）。例如，ISLR是-10dB，那么主瓣功率占總功率的百分比為91%。ISLR將干涉或者噪聲信號分布在整個天線視場中，相比于PSLR，其或多或少都會產(chǎn)生不利的影響。

天線方向圖是二維的，因此需要通過一個立體角進行計算，對于半球狀的天線方向圖是立體弧度。帶角度的方向圖可以以等間隔進行采樣，為了計算每個樣本的相關(guān)功率，有必要在積分中引入系數(shù)。如果帶角度的方向圖是以等間隔進行采樣，那么有必要在積分中引入系數(shù)。

ISLR是SAR性能的一個重要特征參數(shù)，它反映了圖像的背景噪聲。通常利用收發(fā)共用的天線方向圖的ISLR來評估SAR圖像質(zhì)量。在計算ISLR 時需要在主瓣和旁瓣之間建立一個邊界。主瓣可定義為最大增益區(qū)域周圍的最小輪廓，該輪廓線保持緊湊的形狀，一般是凸形。對于均勻的照射，該邊界即是主瓣兩側(cè)第一零點的位置。

這個定義對于主瓣來說是比較寬松的，因此計算得到的ISLR值相對于其他定義計算得到的值略好（較?。┮恍Ｓ捎谑菍Σ蓸雍蟮奶炀€方向圖進行計算，因此計算值會隨著采樣間隔而變化?？梢酝ㄟ^MATLAB的ISLR.m進行計算。

主瓣波束定義：（a）包含16×16個單元的陣面的主瓣波束輪廓線由粗紅線表示；（b）中心輪廓線的環(huán)狀區(qū)域是表示輪廓線電平的函數(shù)

上圖顯示了一個理想的天線方向圖，通過3dB間隔處的輪廓闡述了ISLR的定義。圖a中的候選輪廓是一個被均勻照射的16×16陣面，每個陣元的間距是。在此圖中，主瓣輪廓線由一條粗紅線表示，其電平為-48dB，形狀大致為帶圓角的方形。這個選擇比準確的零點位置略小。若選擇準確的零點位置，將產(chǎn)生一個完美的方形輪廓。此誤差可以忽略不計。

圖b顯示了主瓣的立體角與選擇的輪廓電平的對應(yīng)關(guān)系。在所選的電平下，該曲線本質(zhì)上是一條垂直的線，這說明較小的輪廓電平不會對主瓣的立體角產(chǎn)生實質(zhì)的影響。

等效的波束寬度是根據(jù)具有相同立體角的圓錐體計算得到。該波束寬度大概等于第一零點波束寬度，大于常用的3dB或10dB波束寬度。

PSLR和ISLR與孔徑尺寸的關(guān)系（a）方孔（b）圓孔

小的孔徑將產(chǎn)生較大的主瓣波束寬度以及相當少的旁瓣。相應(yīng)的，小孔徑的ISLR值低于大孔徑的ISLR值，大孔徑產(chǎn)生的大部分旁瓣在實空間中。上圖描述了PSLR和ISLR與孔徑尺寸的關(guān)系。PSLR幾乎是一個常數(shù)。對于大孔徑來說，ISLR的數(shù)值接近一條漸近線。改進后的小孔徑使得實空間中的旁瓣功率更小。將小的陣元排列在大的陣面中，能夠抑制遠場旁瓣。

下表總結(jié)了在一個64×64的單向方形陣列中，陣元間隔，利用三種不同的加權(quán)方法得到的天線方向圖的特征參數(shù)。

審核編輯 ：李倩