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2013年4月
船电子対抗
第36卷第2期
SHIPBOARD ELECTRONTC COUNTERMEASURE
圆形阵列天线在雷达中的设计及应用
林晨,赵艳秋,陈舒敏
(船舶重工集团公司723所、扬州225001
摘要:基于圆形阵列天线特点,提出了一种多波東扫描方式。该扫描方式在最大化发挥圆形阵优勢的同时具有了较
高的扫描效率,可满足雷达发展的需求。基于耦合单元方向图,对圆阵方向图进行优化,计算结果表明方向图性能
达到设计指标要求。该方法适用于任意形式单元构成的圆阵方向图综合,可以很好地满足工程设计需求
关键词:雷达;圆形阵列;多波東;扫描方式;副瓣电平
中分类号:ITN821;TN957.2
文献标识码:A
文章编号:CN32-13(2013)02-004-03
Design and Application of Circular Array Antenna in Radar
LIN Chen, ZHAO Yan-qiu, CHEN Shu-min
(The 723 institute of CSIC, Yangzhou 225001, China)
Abstract: Based on the characteristics of circular array antenna, this paper proposes a kind of multi
beam scan mode. The scan mode not only maximizes the advantages of circular array, but also has
higher scan efficiency, which can satisfy the requirement of radar development. Based on coupling
element pattern, the circular array pattern is optimized. The calculation result shows that the per-
formance of pattern can arrive the requirement of design index. The method is suitable for the cir
cular array pattern integration composed by random form element, and can commendably satisfy the
requirement of engineering design.
Key words: radar; circular array; multibeam; scan mode; sidelobe leve.
的理论研究1,使圆形阵得到日益广泛的应用
针对实际雷达系统,如何最大化发挥圆阵优勢并克
在雷达及其它系统的许多应用中,需阵列天线服其副瓣相対电平高的缺点是值得探讨的问题
具备在方位面进行360°扫描的能力。目前雷达系
统广泛采用直线阵,通过合理布局直线阵可以实现
基于圆形阵列的扫描方法
这样的打描,但增益和方向图等特性扫描角的不
雷达系统要实现方位面内的搜索或眼踪功能,
同而改变。利用伺服系统,虽然保证了天线的性能,其天线需要形成扇形或针状波東且具备扫描能力。
但却增加了额外设备,也给系统带来了数据率和稳圆形阵列要能实现这样的功能,其阵列单元一般均
定性下降的问题,这些限制了它们的实际应用。与匀分布在圆周上,方向图最大辐射方向为园周径向。
之相比,圆形阵列具有良好的全方位扫描能力。圆下面将基于上述背景条件,对圆形阵列的扫描方法
形阵列由均匀分布在圆周上的天线单元构成。由于进行讨论和分析。
其内在的國周旋转对称性,通过循环移动阵列激励,1.1单波束循环扫描方式
订简单而灵活地操控波東的方位,其增益和方向图
循环扫描方式是常见的一种圆阵扫描方法,即
等性能基本不变。同时,圆结构的对称性保持了单通过轮换各单元的加权矢量使波東在方位面内均匀
元间的互耦平衡,利于实际工程设计。
地扫描。如图1所示,在半径为R的圆周上,均匀
由于圆形阵的这些优势,很多学者加大了对其分布N个单元。当1~-P号单元同时工作时(获得
收稿日期:2012-12-31
万方数据
第2期
林晨等:圆形阵列天线在雷达中的设计及应用
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可再获得一个性能相同的波束。如图2所示,圆阵
同时产生2个反方向的波束1-1和2-1,2个波東
的扫描工作方式相同,可实现同时向顺时针或逆时
波束1
针方向0°~360°范围内的循环扫描。类似地,若实
现方向图性能所需同时工作的单元数小于圆阵单元
总数的1/3,则圆阵可同时形成3个波束。相对单
波束方式而言,多波束扫描方式提高了阵面的利用
率和扫描数据率,可使基于圆阵形式的雷达系统性
能得到较大提高。
图1单波束循环扫描方式示意图
2阵列方向图综合
有效加权矢量),阵列形成波東1;关闭单元1,开启
单元(P+1),即2~(P+1)号单元同时工作时,阵
多数关于圆形阵列综合的文献'都假设单元
列形成波東2,依次类推,完成方位面“扫描”。当的方向图为各向同性,并假设单元间不存在互耦作
然,也可以控制其它连续P个单元天线,使波束指用,但在实际的圆形阵列中,相邻单元的间距在0.
向所需的方位。
0.7个波长之间,且每个单元的最大辐射方向均
值得注意的是波位间的波東指向间隔为指向圆阵的径向。显然,实际阵列单元间存在着较
2/N,因此P个单元形成的主瓣波宽需硝大于扫强的互耦效应,因此这些文章所作的假设很粗糙,无
描角度间隔才能保证方位面的完整覆盖,否则还需法满足实际工程需要。通过对扫描方式的分析可
进行小范围内的电判描。于此同时,为提高系统角知,达素统对圆阵中部分连续单元形成的方向图
度分辦率,需要P个单元形成较窄的波東,因此要性能更为关心,因此基于阵中单元方向图并采用雁
完成对两者的兼顾需选择合适的单元总数N和同群粒子群算法(GPSO)对圆阵中局部阵列方向图
时工作的单元数P。
进行综合设计。
单波東循环扫描方式的最大优点在于维持了扫21圆形阵列天线设计
描过程中方向图和增益等的性能且波束控制灵活。
圆形阵列天线结构见图3,半径R=10.97,单
但其存在阵面利用率和扫描数据率较低的缺点。
元间距为0.5。单元采用印刷偶极子天线。
圆形阵列天线
仰角:AOz
方位角:OJ
波束1
(0°)
波束2-1
天线单元
液東2:2ク
图3圆形阵天线结构示意图
图4给出了单元天线在孤立环境和七单元耦合
环境的方向图,可以看出耦合效应使单元方向图的
图2多波東循环扫描方式示意图
形状及波東宽度变化明显。因此,采用阵中方向图
1.2多波束循环扫描方式
可在考虑阵列互耦的情况下有效提高设计精度。
多波東扫描方式的工作原理与单波束方式基本2.2阵列方向图优化设计
相似,其不同点在于圆阵在同一个时刻产生2个或2.2.1优化模型
更多的波束。根据圆形阵列的结构特性可知,每个
对圆阵上M个连续单元的方向图进行综合,其
单元方向图的指向为径向,其半功率波束宽度小于方位面内(G