莫子軍，焦龍飛

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

電子偵察的目的是從敵方雷達(dá)發(fā)射的信號中檢測有用信息，并與其他手段截獲的信號綜合在一起，引導(dǎo)我方做出及時、準(zhǔn)確、有效的作戰(zhàn)策略。為了應(yīng)對更大頻寬，更多類型的雷達(dá)信號，雷達(dá)偵查接收機(jī)采用寬帶數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)，通過數(shù)字信號處理獲得良好的瞬時空間覆蓋和高分辨特性，這對于電子偵察有利。但寬帶DBF 技術(shù)中柵瓣問題急需解決。即目標(biāo)信號的工作帶寬可能覆蓋若干個倍頻程，若按照最高工作頻率不發(fā)生柵瓣的要求設(shè)計陣列間距，則對低頻段信號不僅難以設(shè)計結(jié)構(gòu)，還會出現(xiàn)嚴(yán)重的陣元間互相耦合;而若按照最低頻率不發(fā)生陣元間互相耦合設(shè)計陣列間距，則對高頻段信號會出現(xiàn)嚴(yán)重的柵瓣。

總之，目前解決寬帶偵查DBF 技術(shù)中柵瓣問題的方法主要有:復(fù)合陣列和非均勻陣列技術(shù)。復(fù)合陣列技術(shù)的思想是將寬帶信號劃分成低頻和高頻兩部分，再將這兩部分信號分別采用均勻布陣的方法來抑制柵瓣;非均勻陣列技術(shù)是相對于均勻陣列技術(shù)來說的，基本思想有局部均勻陣列設(shè)計和柵瓣等波動設(shè)計。

1 柵瓣問題產(chǎn)生原理分析

考核天線性能的基本參數(shù)主要有:主瓣增益G，主瓣寬度θ0.5，最大旁瓣電平Gs。確定頻率信號的一維DBF 處理為

其中，為n 一維線陣的陣元數(shù);{αi}i為指定的各合成波束的指向;f=c/λ 為指定的信號頻率。典型雷達(dá)的DBF 常采用均勻布陣方式，即

當(dāng)目標(biāo)至雷達(dá)的距離遠(yuǎn)大于天線陣孔徑時

從而使式(1)簡化為

對于歸一化天線增益函數(shù)為在最大增益方向α=αi的天線增益為1，最大副瓣位于處，此時的最大副瓣電平為

對于均勻陣列，天線波束寬度為

其中，n，α 分別為陣元數(shù)和波束指向。為了不出現(xiàn)柵瓣現(xiàn)象，需要天線陣元間距滿足

其中，αmax為天線波束的最大指向。如果不滿足式(8)，則各柵瓣位置為

對于窄帶工作的雷達(dá)，λ 的工作帶寬較窄，比較容易滿足上述要求。對于給定的一種均勻陣列，柵瓣總是出現(xiàn)在頻率的高端，因為此時λ 小，會有較多的αk滿足上式，當(dāng)αi＞0 時，與法方向最近的柵瓣位于α－1。

2 波束圖各主要參數(shù)與柵瓣的關(guān)系

除了可通過接收目標(biāo)信號的波束圖函數(shù)進(jìn)行理論分析之外，還可通過仿真條件的改變得到相應(yīng)的波束仿真圖進(jìn)行直觀分析?；谶@一思想，本文通過仿真分析波束圖各主要參數(shù)與柵瓣的關(guān)系。

圖1 的仿真條件:陣元間距不同，陣元數(shù)為16，波束指向為零度。比較各子圖，當(dāng)陣元數(shù)固定，陣元間距滿足d/λ ＜1 時，天線波束圖的柵瓣問題就不會出現(xiàn)。但陣元間距d=0.8λ 增大時，天線波束方向圖的柵瓣問題就隨之出現(xiàn)。認(rèn)真對比各子圖，陣元間距越大，信號旁瓣越多，柵瓣也出現(xiàn)更多，但波束主瓣變窄、性能變差。圖2 的仿真條件是:陣元數(shù)為16，陣元間距d=0.8λ，主波束掃描角不同。比較各子圖可知，當(dāng)波束指向θ0=0°時不出現(xiàn)柵瓣，當(dāng)θ0=15°時波束圖開始出現(xiàn)柵瓣，θ0=20°時柵瓣明顯可見。因此，波束掃描角度大小會影響柵瓣出現(xiàn)與否，即掃描角增加到一定值時，波束方向圖會出現(xiàn)柵瓣。

圖1 陣元間距變化的波束圖

圖2 波束指向不同的波束圖

3 柵瓣等波動設(shè)計原理

非均勻陣列技術(shù)的原理是:用非均勻間距覆蓋工作頻段，不僅要消除柵瓣，且要使主瓣增益、最大旁瓣電平滿足要求。一般非均勻天線增益函數(shù)可寫為

一種設(shè)想是借用復(fù)合陣列的設(shè)計，將全陣面設(shè)計為若干均勻陣列的組合，如圖3 所示。將全陣面分成為若干均勻的子陣面，使其分別對不同的頻段無柵瓣，此時的天線增益函數(shù)為

圖3 局部均勻組合陣列

其中，m 為均勻子陣的數(shù)量，且假設(shè)每個子陣的陣元數(shù)相同。另一種設(shè)想是令間距分布在區(qū)間

假設(shè)αi=0，從最小波長開始，計算其在均勻陣列中出現(xiàn)最近柵瓣的位置

然后令其他間距和柵瓣位置在區(qū)間［α0，αmax］成均勻分布，則陣元間距為

相當(dāng)于一種柵瓣等波動設(shè)計的思想。

通過對非均勻陣列技術(shù)原理的介紹，可知柵瓣等波動設(shè)計的基本思想是:令陣元間距在區(qū)間［λmin/(1+sinαmax)，λmax/(1+sinαmax)］分布，假設(shè)αi=0，從最小波長開始，計算其在均勻陣列中出現(xiàn)最近柵瓣的位置α0，則陣元間距

其中，αmax為天線波束的最大指向［6－10］。

4 仿真分析

圖4 所示為信號帶寬為300 ～1 200 MHz，陣元數(shù)為20，波束指向零度的方向圖。從圖中可明顯看出柵瓣。采用柵瓣等波動設(shè)計陣列進(jìn)行仿真。仿真條件設(shè)置:陣元數(shù)為20，主瓣波束指向為零度，αmax=60°，電磁波傳播速率取光速，不考慮陣元間耦合情況。dp=0 表示在選取的第一個陣元處，隨著信號頻率增高陣元間距變小。

圖5 柵瓣等波動設(shè)計合成波束圖。將圖4 與圖5對比可知，柵瓣在部分頻率位置被有效抑制。如何將寬帶信號頻率高端處的柵瓣有效抑制，實現(xiàn)寬帶信號柵瓣全頻域內(nèi)抑制需要進(jìn)一步研究。

圖4 寬帶信號波束圖

圖5 柵瓣等波動設(shè)計合成波束圖

5 結(jié)束語

針對寬帶DBF 中的柵瓣問題，提出了一種基于柵瓣等波動的設(shè)計方法來抑制柵瓣問題。該方法相對于一種分均勻陣列設(shè)計，其核心是對陣元間距的選則。本文通過仿真驗證了該方法在寬帶信號部分頻率位置對柵瓣有明顯的抑制效果，但如何實現(xiàn)全頻率的柵瓣抑制有待研究。

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