一文解析相控陣天線的仿真應(yīng)用

相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)有許多共同之處，但天線波束形成和掃描方式的控制卻大有差別，使得相控陣?yán)走_(dá)天線具有天線波束的快速掃描能力、天線波束形狀的快速變化能力、空間定向與空域?yàn)V波能力、空間功率合成能力以及天線與平臺(tái)共形的能力等諸多優(yōu)點(diǎn)。

相控陣?yán)走_(dá)天線波束由計(jì)算機(jī)控制，在空間幾乎是無(wú)慣性掃描，具有很大的靈活性。相控陣天線增益隨著靈活的波束掃描而發(fā)生變化。除此之外，天線陣元的排列方式以及陣元間距等對(duì)相控陣天線的增益和方向圖有很大的影響。 同時(shí)，為了獲得較高的天線增益和較低的旁瓣電平，還需對(duì)相控陣天線陣面進(jìn)行適當(dāng)?shù)丶訖?quán)處理。這也給系統(tǒng)仿真中計(jì)算掃描時(shí)天線增益帶來(lái)了許多復(fù)雜的問(wèn)題。 對(duì)于一般相控陣天線適用的分析方法，例如雷達(dá)天線陣面的加權(quán)方式以及天線陣面參數(shù)的估算方法等對(duì)于多功能相控陣?yán)走_(dá)仍然適用。要正確建立理論（或數(shù)學(xué)）模型關(guān)鍵在于研究天線的以下特性：

相控陣天線的增益系數(shù)和方向性系數(shù)與空間幾何位置和頻率的關(guān)系；

相控陣天線的效率、帶寬等與頻率的關(guān)系；

相控陣天線的掃描特性。

在此基礎(chǔ)上，建立適合雷達(dá)電子戰(zhàn)仿真應(yīng)用的相控陣天線模型，既要滿足仿真系統(tǒng)的精度要求，同時(shí)也需要滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。而在實(shí)際的仿真過(guò)程中存在很多難點(diǎn)，例如：

1. 建立子模塊時(shí)，陣元間距的確定非常重要，必須進(jìn)行準(zhǔn)確推導(dǎo)。一般通過(guò)調(diào)整間距參數(shù)進(jìn)行大量仿真，尋找最優(yōu)值。

2. 通常相控陣?yán)走_(dá)天線的接收和發(fā)射是共用天線陣面，但雷達(dá)接收陣面和發(fā)射陣面會(huì)有差異。因此必須建立兩個(gè)仿真模塊，分別用于仿真接收和發(fā)射天線方向圖，而且它們的陣面口徑分布對(duì)應(yīng)于不同的函數(shù)加權(quán)。即使對(duì)于接收方向圖子模塊來(lái)說(shuō)，由于測(cè)角的需要，也會(huì)存在和波束和差波束兩個(gè)不同的仿真函數(shù)。 ? ?

理論模型逼近法

針對(duì)上述分析，采用理論模型逼近法來(lái)進(jìn)行天線方向圖建模。采用理論模型通過(guò)控制相關(guān)參數(shù)逼近相控陣天線的方向圖，例如，可以用幾個(gè)函數(shù)的組合來(lái)分別模擬相控陣天線增益方向圖的主瓣、第一旁瓣、第二旁瓣等。這種仿真方法比較簡(jiǎn)單，而且可以達(dá)到實(shí)時(shí)計(jì)算，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)仿真會(huì)帶來(lái)一定的誤差。 步驟為：

1)收集待模擬雷達(dá)裝備天線的相關(guān)參數(shù)

a)全部電尺寸參數(shù)； b)天線方向圖特征參數(shù)； c)主瓣增益； d)第一副瓣增益； e)半功率點(diǎn)寬度； f)第一零點(diǎn)； g)第二副瓣增益； h)其余副瓣增益。

2)研究相控陣天線的特性 a)研究天線的增益與空間幾何位置及頻率的關(guān)系； b)研究天線的方向性系數(shù)與空間幾何位置及頻率的關(guān)系； c)研究天線的效率、帶寬與頻率的關(guān)系； d)研究天線的掃描特性。

3)根據(jù)天線的電尺寸參數(shù)得到該天線方向圖的特征參數(shù)

4)“最優(yōu)估計(jì)”

根據(jù)天線方向圖特征參數(shù)和該天線特性所具有的規(guī)律，利用分段天線方向圖理論模型，通過(guò)控制理論模型參數(shù)的方法獲得該天線方向圖的“最優(yōu)估計(jì)”。 ? ??

擬合模型逼近法

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在數(shù)字系統(tǒng)中將相控陣天線的仿真作為一個(gè)預(yù)處理的過(guò)程來(lái)進(jìn)行，采用擬合模型逼近法進(jìn)行仿真，在充分考慮相控陣天線波束在掃描的過(guò)程中方向圖的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，用幾個(gè)辛格函數(shù)主瓣的組合來(lái)分段模擬相控陣天線方向圖。 根據(jù)分析，典型的多功能相控陣?yán)走_(dá)采用強(qiáng)迫饋電方式，角誤差提取方法為振幅和差法。振幅和差測(cè)角的相控陣天線仿真，可先將天線陣面4個(gè)象限所有單元的接收信號(hào)分別相加，得到4個(gè)子天線陣的輸出信號(hào)，然后再送比較器分別形成和波束、方位差波束和俯仰差波束。

在相控陣天線的模擬過(guò)程中，主要包括以下幾個(gè)步驟：

天線波束指向陣面法向時(shí)單波束天線方向圖的模擬；

天線波束指向陣面法向時(shí)和差波束的形成；

天線波束指向偏離陣面法向時(shí)的和差波束形成。

由于在正弦空間坐標(biāo)系下相控陣天線方向圖的形狀不隨波束掃描角的變化而改變，因此在此坐標(biāo)系下模擬相控陣天線方向圖時(shí)只需先繪出天線波束指向陣面法向時(shí)的單波束天線方向圖、和波束天線方向圖、方位差天線方向圖和俯仰差天線方向圖；當(dāng)天線波束掃描偏離法線方向時(shí)，方向圖的形狀不變，只需在和差波束上乘上相應(yīng)的幅度衰減因子即可。 總結(jié)上述分析過(guò)程，提煉出相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖模擬仿真的一般流程，即：

輸入天線陣面球坐標(biāo)系內(nèi)的目標(biāo)、波束中心位置；

模擬天線波束指向陣面法向時(shí)的單波束方向圖；

模擬天線波束指向陣面法向時(shí)指向方位坐標(biāo)系內(nèi)的和差波束方向圖；

得到天線波束任意指向時(shí)天線方向圖模擬。

編輯：黃飛

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