徐艷紅,史小衛(wèi),文 珺

(1.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071; 2.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院,廣西南寧 530004)

頻率分集陣列穩(wěn)態(tài)波束形成方法

徐艷紅1,史小衛(wèi)1,文 珺2

(1.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071; 2.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院,廣西南寧 530004)

針對(duì)頻率分集陣列天線的發(fā)射方向圖隨時(shí)間變化的問題,提出了一種脈沖體制頻率分集陣列天線穩(wěn)態(tài)波束形成方法,并對(duì)其發(fā)射方向圖特性進(jìn)行分析.頻率分集陣列天線在天線單元間采用微小的頻率步進(jìn)可形成距離角度二維依賴的發(fā)射方向圖.相比傳統(tǒng)相控陣天線,頻率分集陣列天線無需移相器,因此其具有成本低、復(fù)雜度小以及適合陣列天線小型化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn).同時(shí),其天線發(fā)射方向圖的距離角度二維依賴特性,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性.仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性.

頻率分集陣列;脈沖體制;發(fā)射方向圖;波束掃描;距離角度依賴

隨著無線電技術(shù)的快速發(fā)展,相控陣天線以其靈活的波束掃描特點(diǎn),在軍事和民用領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[1-2].在傳統(tǒng)陣列天線中,天線單元空間位置及其饋電激勵(lì)權(quán)值所形成的陣列口徑場分布決定了整個(gè)天線系統(tǒng)的輻射特性.相控陣天線通常采用移相器來實(shí)現(xiàn)電子波束掃描,不僅造價(jià)高昂,而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜.目前,通常采用頻率掃描陣[3]、子陣劃分[4-5]等方法來降低大型相控陣天線的系統(tǒng)復(fù)雜度.

近年來,一種無需采用移相器就可以實(shí)現(xiàn)波束掃描的頻率分集陣列天線引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-14].與傳統(tǒng)相控陣天線不同,頻率分集陣列天線單元之間的工作頻率具有很小的差異:陣元之間存在很小的頻率步進(jìn).文獻(xiàn)[6]中首次提出了頻率分集陣列的概念,并分析了其天線發(fā)射方向圖波束特性.相比傳統(tǒng)陣列天線,頻率分集陣列天線具有更多的系統(tǒng)自由度,可以形成隨距離、角度以及時(shí)間而規(guī)律變化的天線方向圖[7],使陣列波束掃描更加靈活.文獻(xiàn)[7]給出了頻率分集陣列天線的接收波束形成.為獲取精確穩(wěn)定的頻率步進(jìn)量,文獻(xiàn)[9]提出了一種實(shí)用的線性調(diào)頻信號(hào)延遲饋電的頻率分集陣列天線系統(tǒng),并進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證.文獻(xiàn)[10]對(duì)頻率分集陣列波束時(shí)變特性進(jìn)行了驗(yàn)證,并給出了一種低成本的頻率分集陣列.其波束掃描是由于頻率分集陣列天線的時(shí)間依賴性,但并沒有考慮利用頻率步進(jìn)量來實(shí)現(xiàn)波束控制.文獻(xiàn)[11]提出了一種頻率分集雙基雷達(dá)系統(tǒng),利用頻率分集陣列結(jié)合陣元位置設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了距離依賴方向圖設(shè)計(jì),該方向圖與傳統(tǒng)天線方向圖正交.文獻(xiàn)[12-13]分析了頻率分集陣列天線在機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用,其中文獻(xiàn)[12]給出了其回波信號(hào)的特性和距離模糊雜波分布特性,文獻(xiàn)[13]將自適應(yīng)信號(hào)處理推廣到距離維.此外,在雷達(dá)成像中,頻率分集陣列可有效提高成像的分辨力[14].目前,頻率分集陣列天線的研究主要集中于連續(xù)波信號(hào)體制[7-11].本質(zhì)上,頻率分集陣列天線利用其頻率步進(jìn)帶來的附加相位實(shí)現(xiàn)天線方向圖波束掃描.在連續(xù)波信號(hào)體制中,該相位隨著時(shí)間的積累呈周期性變化,因此頻率分集陣列天線方向圖具有時(shí)變特性.理論上,空間中的任意一點(diǎn)都會(huì)被主瓣所照射.實(shí)際中,脈沖信號(hào)體制的陣列天線在雷達(dá)聲吶中具有廣泛的應(yīng)用.對(duì)于脈沖體制的頻率分集陣列天線,其發(fā)射方向圖在脈沖時(shí)間內(nèi)可近似保持不變,對(duì)雷達(dá)目標(biāo)檢測、成像等具有重要的意義.

筆者針對(duì)脈沖體制頻率分集陣列天線,提出一種穩(wěn)態(tài)波束形成方法,并對(duì)脈沖體制頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖的距離-角度二維依賴特性進(jìn)行分析.頻率分集陣列天線方向圖存在主瓣周期性,通過合理選擇頻率步進(jìn)量,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列波束掃描的控制.

圖1　頻率分集陣列天線幾何構(gòu)型

1　頻率分集陣列天線基本原理

圖1所示為M元頻率分集陣列,其天線單元間距為d,單元間的工作頻率依次步進(jìn),且頻率步進(jìn)量為Δf.第m個(gè)天線單元的工作角頻率為

其中,ω0=2πf0,為參考工作角頻率,Δω=2πΔf,為角頻率步進(jìn)量.對(duì)于陣列遠(yuǎn)場點(diǎn)P,該陣列電場表達(dá)式為

其中,θ和R0分別為觀測點(diǎn)偏離陣列法線的夾角和觀測點(diǎn)到陣列的距離;wm,fe(ωm,θ)和Rm分別為第m個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)的饋電權(quán)值,單元方向圖和其到觀測點(diǎn)P的距離;km=k0+(m-1)Δk,為第m個(gè)天線單元的波數(shù),k0=ω0c,為參考波數(shù),Δk=Δωc,為相鄰天線單元間的波數(shù)差.

對(duì)于陣列遠(yuǎn)場的點(diǎn)P,第m個(gè)天線單元的傳播距離可近似表示為

因此,第m個(gè)天線單元的輻射信號(hào)在P點(diǎn)的相位可表示為

假定各天線單元的輻射方向圖相同,陣列總長度遠(yuǎn)小于陣列到觀測點(diǎn)的距離,且頻率步進(jìn)量遠(yuǎn)小于天線的參考工作頻率,即

那么,式(2)可簡化為

其中,φ=Δω(t-R0c)+k0d sinθ.不失一般性,取陣列天線單元為全向天線且饋電權(quán)值為1,則當(dāng)時(shí)電場取得峰值.

由式(6)可見,與傳統(tǒng)相控陣天線僅與角度有關(guān)的方向圖相比,頻率分集陣列天線方向圖不僅與角度有關(guān),而且與距離和時(shí)間有關(guān).實(shí)際中,由于連續(xù)波體制頻率分集陣列天線的波束掃描是時(shí)變的,這會(huì)造成回波信號(hào)相干性下降,導(dǎo)致信號(hào)處理增益降低.筆者針對(duì)這一問題采用脈沖信號(hào)體制,研究了頻率分集陣列天線的波束掃描控制方法.實(shí)際上,由于脈沖體制頻率分集陣列天線發(fā)射脈沖很短,在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)天線發(fā)射方向圖近似時(shí)不變,因此可以保持回波信號(hào)的相干性.

2　頻率分集陣列天線穩(wěn)態(tài)波束掃描方法

針對(duì)脈沖體制頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖的掃描特性以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析,提出了一種頻率分集陣列天線穩(wěn)態(tài)波束控制方法.考慮脈沖體制頻率分集陣列天線,其第m個(gè)天線單元的發(fā)射信號(hào)為

對(duì)于脈沖體制陣列天線系統(tǒng),其發(fā)射信號(hào)時(shí)間長度有限,天線發(fā)射方向圖在T時(shí)間內(nèi)也存在變化,因此,脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要.由于頻率分集陣列天線方向圖為時(shí)間的函數(shù),天線發(fā)射方向圖的主瓣持續(xù)時(shí)間為

對(duì)于空間點(diǎn)P,式(10)確定的時(shí)間為天線方向圖主瓣照射P點(diǎn)的時(shí)間.在這段時(shí)間內(nèi),天線輻射能量的主瓣位于點(diǎn)P所在區(qū)域.因此,當(dāng)發(fā)射脈沖時(shí)間長度滿足下列條件時(shí):

頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖在空間中的時(shí)變特性幾乎可以忽略,此時(shí)可近似認(rèn)為天線方向圖與時(shí)間近似無關(guān),即實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)波束形成.其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)天線發(fā)射方向圖為

需要說明的是,式(12)所得發(fā)射方向圖在P點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間為T.實(shí)際上,在脈沖體制下,為實(shí)現(xiàn)波束主瓣照射到空間點(diǎn)P,需要合理選擇頻率步進(jìn)量.為實(shí)現(xiàn)天線主瓣照射到空間點(diǎn)P,需滿足以下關(guān)系:

由式(12)可知,脈沖體制頻率分集陣列天線的發(fā)射方向圖是距離-角度的二維函數(shù).式(14)給出了脈沖體制頻率分集陣列天線穩(wěn)態(tài)波束掃描控制方法,即通過改變頻率步進(jìn)量實(shí)現(xiàn)陣列波束掃描.由于整數(shù)l為離散值,因此可選擇的頻率步進(jìn)量有很多.傳統(tǒng)相控陣天線方向圖僅與角度有關(guān),因此需要通過移相器控制波束掃描角度實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測空域的有效覆蓋;對(duì)于脈沖體制的頻率分集陣列天線,由式(14)可知,在給定天線位置分布及參考工作頻率的情況下,其天線方向圖的主瓣指向可以通過改變角頻率步進(jìn)量(或頻率步進(jìn)量)進(jìn)行控制,并且其波束具有距離-角度二維依賴性,因此,其波束掃描具有更高的可控性和靈活性.

3　仿真實(shí)驗(yàn)

下面對(duì)所提出的穩(wěn)態(tài)波束掃描控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.仿真試驗(yàn)中,陣列單元數(shù)為7,參考工作頻率為10 GHz.考慮理想單元方向圖,首先對(duì)傳統(tǒng)相控陣天線和脈沖體制頻率分集陣列天線歸一化功率發(fā)射方向圖進(jìn)行對(duì)比分析;接著仿真驗(yàn)證了文中所提穩(wěn)態(tài)波束掃描控制方法的有效性.再通過電磁仿真軟件對(duì)脈沖體制頻率分集陣列天線的瞬時(shí)電場分布進(jìn)行觀測,進(jìn)一步驗(yàn)證了文中所提穩(wěn)態(tài)波束控制方法的有效性.

3.1頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖

圖2給出了傳統(tǒng)相控陣天線和脈沖體制頻率分集陣列天線歸一化功率發(fā)射方向圖,其中陣元間距為半波長.由圖可見,傳統(tǒng)相控陣天線功率發(fā)射方向圖僅與角度有關(guān),與距離無關(guān).與傳統(tǒng)相控陣天線不同,脈沖體制頻率分集陣列天線功率發(fā)射方向圖不僅與角度有關(guān)而且與距離有關(guān).因此,脈沖體制頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖具有距離和角度二維可控自由度,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性.

圖2　歸一化功率發(fā)射方向圖

由上文的分析可知,脈沖體制頻率分集陣列天線可通過改變頻率步進(jìn)量來實(shí)現(xiàn)天線波束掃描,無需移相器.圖3給出了在同一觀測距離上,脈沖體制頻率分集陣列天線在不同頻率步進(jìn)量情況下的歸一化功率發(fā)射方向圖,仿真實(shí)驗(yàn)中觀測距離為30 km.如圖3所示,當(dāng)頻率步進(jìn)量分別為10 k Hz、11 k Hz和12 k Hz時(shí),天線波束的最大指向分別為0°(sinθ=0)、11.54°(sinθ≈0.2)和23.58° (sinθ≈0.4).需要說明的是,在圖3的仿真實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)頻率步進(jìn)量的改變量為10 k Hz(如頻率步進(jìn)量從10 k Hz變化到20 k Hz)時(shí),其最大波束指向?qū)⒅匦禄氐狡瘘c(diǎn),完成-90°～90°角度的掃描.由此可見,通過改變頻率步進(jìn)量可以有效實(shí)現(xiàn)脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描.

圖3　脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描

3.2電磁仿真實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中波束控制方法的有效性,通過電磁仿真軟件CST Microwave Studio對(duì)脈沖體制頻率分集陣列天線的瞬時(shí)電場分布進(jìn)行仿真分析,其電磁仿真模型如圖4所示.該陣列位于x Oy平面,各個(gè)天線單元的激勵(lì)信號(hào)頻率分別為從f0到f0+6Δf,輸入功率相同.具體仿真參數(shù)如表1所示.

表1　脈沖體制頻率分集陣列天線仿真參數(shù)

圖4　脈沖體制頻率分集陣列天線電磁仿真模型

圖5 觀測面1上不同頻率步進(jìn)量情況下的瞬時(shí)電場分布

圖5給出了不同頻率步進(jìn)量情況下,觀測面1上的電場強(qiáng)度分布.由表1參數(shù)可知,脈沖信號(hào)傳播到觀測面1的時(shí)間為2 ns,主瓣穿越觀測面的時(shí)間(即信號(hào)脈沖寬度)為0.3 ns.因此,實(shí)驗(yàn)中給出了在2.2 ns時(shí)觀測面1的瞬時(shí)電場分布情況.8個(gè)平面從左到右對(duì)應(yīng)的頻率步進(jìn)量分別為0.010～0.017 GHz,間隔為0.001 GHz.由圖可見,通過改變頻率步進(jìn)量可以實(shí)現(xiàn)脈沖體制頻率分集陣列天線的波束掃描.

為了進(jìn)一步說明不同頻率步進(jìn)量情況下的波束掃描情況,圖6中分別給出了頻率步進(jìn)量為0.01 GHz (圖6(a),(b)和(c))和0.02 GHz(圖6(d),(e)和(f))情況下,不同時(shí)刻觀測面2上的瞬時(shí)電場分布情況.對(duì)比這兩組圖可見:隨著頻率步進(jìn)量的增大,脈沖體制頻率分集陣列天線的主瓣掃描偏離陣列法線方向的程度增大,因此頻率分集陣列天線可通過改變頻率步進(jìn)量實(shí)現(xiàn)波束掃描.另外,對(duì)于脈沖體制頻率分集陣列天線,當(dāng)脈沖寬度小于主瓣持續(xù)時(shí)間時(shí),空間某一點(diǎn)的電場分布在脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)基本不變.圖6中給出的瞬時(shí)電場分布情況反映了脈沖體制頻率分集陣列天線的空間電場分布的特點(diǎn):任意時(shí)刻的電場分布僅在空間中有限區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度較高.

圖6　觀測面2上的瞬時(shí)電場分布

4　結(jié)束語

針對(duì)頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖隨時(shí)間變化的問題,文中提出了一種脈沖體制頻率分集陣列天線穩(wěn)態(tài)波束形成方法.在滿足約束條件下,通過改變頻率步進(jìn)量,脈沖體制頻率分集陣列天線即可實(shí)現(xiàn)波束掃描,無需采用造價(jià)高昂的移相器,其成本低適合小型化陣列天線設(shè)計(jì).同時(shí),脈沖體制頻率分集陣列天線發(fā)射方向圖具有距離角度依賴性,大大提高了陣列天線波束掃描的靈活性,因此,在脈沖體制雷達(dá)等系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1]MILANO A,WEINSTEIN H.Communication System and Method Using an Active Phased Array Antenna:U.S. Patent 8 773 306[P].2014-07-08.

[2]RYU S B,KANG E S,LEE H C,et al.SSB-AM-based Detection of Phase Error in Active Phased Array Antenna for Space Application[J].Electronics Letters,2015,51(3):204-205.

[3]CUI L,WU W,FANG D G.Printed Frequency Beam-scanning Antenna with Flat Gain and Low Sidelobe Levels[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12(1):292-295.

[4]胡航,王澤勛,劉偉會(huì),等.相控陣的兩級(jí)子陣級(jí)加權(quán)方法研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(6):1038-1043. HU Hang,WANG Zexun,LIU Weihui,et al.Two-stage Subarray Level Weighting Approach for Phased Array[J]. Chinese Journal of Radio Science,2009,24(6):1038-1043.

[5]邱朝陽,雷麗麗,胡航,等.子陣級(jí)相控陣差波束旁瓣抑制新方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(1):0013-0018. QIU Chaoyang,LEI Lili,HU Hang,et al.Novel Approach of Sidelobe Suppression for Difference Beam of Phased Array at Subarray Level[J].Chinese Journal of Radio Science,2011,26(1):0013-0018.

[6]ANTONIK P,WICKS M C,GRIFFITHS H D,et al.Frequency Diverse Array Radars[C]//Proceedings of IEEE Radar Conference.Piscataway:IEEE,2006:215-217.

[7]SECMEN M,DEMIR S,HIZAL A,et al.Frequency Diverse Array Antenna with Periodic Time Modulated Pattern in Range and Angle[C]//Proceedings of IEEE Radar Conference.Piscataway:IEEE,2007:427-430.

[8]XU J W,LIAO G S,ZHU S Q.Receive Beamforming of Frequency Diverse Array Radar Systems[C]//2014 31th URSI General Assembly and Scientific Symposium.Piscataway:IEEE,2014:6929432.

[9]EKER T,DEMIR S,HIZAL A.Exploitation of Linear Frequency Modulated Continuous Waveform(LFMCW)for Frequency Diverse Arrays[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(7):3546-3554.

[10]HUANG J J,TONG K F,BAKER C J.Frequency Diverse Array:Simulation and Design[C]//International Antennas &Propagation Radar Conference.Piscataway:IEEE,2009:1-4.

[11]SAMMARTINO P F,BACKER C J,GRIFFITHS H D.Frequency Diverse MIMO Techniques for Radar[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2013,49(1):201-222.

[12]胡柏林,廖桂生,許京偉,等.前視陣頻率分集雷達(dá)空時(shí)雜波特性研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013,35(11): 2693-2699. HU Bolin,LIAO Guisheng,XU Jingwei,et al.Study on Space-time Character of Clutter for Forward-looking Frequency Diverse Array Radar[J].Journal of Electronics&Information Technology,2013,35(11):2693-2699.

[13]XU J,ZHU S,LIAO G.Space-time-range Adaptive Processing for Airborne Radar Systems[J].IEEE Sensors Journal,2014,15(3):1602-1610.

[14]WANG W Q,SO H C,SHAO H.Nonuniform Frequency Diverse Array for Range-angle Imaging of Targets[J].IEEE Sensors Journal,2014,14(8):2469-2476.

(編輯:王 瑞)

Static beamforming method of frequency diverse array

XU Yanhong1,SHI Xiaowei1,WEN Jun2
(1.Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.School of Computer&Electronic Information,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China)

Focused on the time-varying property of the transmit beampattern of the frequency diverse array,a static transmit beamforming method is proposed to control the beampattern of the pulsed frequency diverse array,and the characteristics of its radiating pattern are studied.With a tiny progressive incremental frequency shift applied between the adjacent antenna elements,a range-angle dependent radiating pattern is achieved.Compared with the conventional phased array,the frequency diverse array is low in price and small in complexity without the use of phase shifters,which enables it to be suitable for the miniaturization design of an array antenna.Moreover,its range-angle dependent characteristic significantly enhances the flexibility of antenna beam scanning.Simulation experiments demonstrate the effectiveness of the proposed method.

frequency diverse array;pulse configuration;radiation pattern;beam scanning;rangeangle dependent

TN820

A

1001-2400(2016)05-0041-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.008

2015-09-01 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571356,61461007)

徐艷紅(1989-),女,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:yanhongxuxidian@163.com.

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.016.html