边缘量化切角对阵面接收性能的影响及典型应用分析

杨 蕾，杨 坡，陈永森

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

阵面一般由多通道TR组件构成，当天线口面非矩形时，由于列元数必须为组件数量的整数倍，导致阵面口径边缘出现量化切角，量化切角导致阵面口径降低，影响天线口面效率、导致天线副瓣电平抬升和波束宽度展宽。不同通道数的TR组件会导致不同的天线性能，在实际使用中，必须对量化切角现象进行对比和权衡，综合考虑技术指标、可行性以及成本等因素，选择最为合理的TR组件通道数[1]。

1 模型的建立

1.1 天线方向图

根据阵面天线理论，按照如下公式对天线接收方向图进行分析

AF(θ,φ)=

(1)

其中AF(θ,φ)为天线辐射方向图，x、y代表单元位置，g(x,y)为幅度加权系数，λ为信号波长。

1.2 天线口径增益损失

由于等幅分布天线生成的副瓣电平较高，一般通过幅度加权锥削降低，幅度加权数值是离孔径中心距离x，y的函数，加权孔径的增益损失

(2)

当g(x)和g(y)采用了低副瓣加权时，孔径边缘附近的g(x,y)非常小，对阵面性能的影响较小，因此边缘量化导致的边缘切角对阵面的增益损失较小，从而有利于节省阵面元数[2]。

1.3 天线副瓣

天线副瓣的理想电平是根据式(1)的照射函数决定，实际上，TR组件的边缘量化作为其中一个因素，会导致副瓣电平的抬升，本文将针对边缘量化效应分析对应的副瓣电平[3]。

2 性能分析

天线主要参数如下：

频率：X波段

阵面尺寸：≤100 mm×60 mm

天线间距按照圆锥角120°范围内无栅瓣设计。

阵面形状为椭圆形，使用单联装TR时，阵元排列如图1(a)所示，总元数为2 012元，单元幅度按照泰勒函数进行锥削，锥削电平如图1(b)所示，利用式(2)计算得η0=2.59 dB。不考虑阵元幅相误差以及单元方向图的影响，垂直切面的方向图如图1(c)所示，垂直主切面方向波束宽度3.87°，最大副瓣电平为-34.5 dB，平均副瓣电平-46.0 dB。

图1 单通道TR，无边缘量化切角效应

从利于实现的角度，一般通过多个线阵构成椭圆口径阵面，每个线阵由同一种类的多通道TR组件构成。在保证天线性能的基础上，应该尽量减少线阵种类。目前TR组件较多的采用2通道、4通道和8通道联装形式，导致口径边缘量化切角。当采用4通道TR组件时，其阵元排列如图2(a)所示。可以看出，经量化切角后，阵面规模缩减至1 936元；幅度加权分布如图2(b)所示，利用式(2)计算得其增益损失η4=2.67 dB，和单联装TR相比，可节省3.8%的天线规模，但接收增益损失很小，只有0.08 dB(1.8%)。

利用式(1)分析阵面二维方向图如图2(c)所示，垂直主切面方向图如图2(d)所示，其波束宽度3.92°，相对单联装展宽1.3%，最大副瓣电平为-32.5 dB，平均副瓣电平-43.8 dB，副瓣抬高约2 dB。因此通过4联装TR组件的边缘量化切角分析，可以发现，在切角后可节省阵面规模，同时对天线增益和波束宽度的影响较小。

图2 4通道TR时阵面特性

当采用2通道和8通道TR组件时，构成阵面分别如图3(a)、(b)所示，阵面元数分别为1 984元、1 824元，其中2通道TR导致的阵面边缘量化效应较小，而8通道TR组件会导致较为严重的边缘量化效应，二者垂直切面方向图如图3(c)所示，可以看出，8联装TR组件节省了9%的阵面通道数，增益损失不大，但导致严重的量化切角效应，最大副瓣和平均副瓣均有所抬升。

对比不同联数TR组件下时天线性能，结果如表1所示，可以看出，如果采用2联通道的TR组件，边缘量化导致的副瓣抬升和波束展宽效应不明显，同时将阵面元数降低1.4%，作为对比的8联装组件可以将阵面元数降低9.3%，但是带来较大的副瓣抬升。在阵面的可实现性和天线性能之间，采用4联装TR组件可以获得最佳平衡。

3 结束语

基于线阵的天线架构，可以满足天线的测试性、维修性设计，同时方便的实现阵面的扩展和裁剪。利用不同通道数量联装的TR组件会导致边缘量化切角效应，本文通过理论对其对天线性能的影响进行了分析，在天线性能和可实现性之间进行了权衡。

表1 不同通道数TR组件时的天线性能对比