CN102565776A - 一种星载sar相控阵天线阵面布局方法 - Google Patents
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Abstract
一种星载SAR相控阵天线阵面布局方法，涉及雷达天线技术，在相控阵天线方位向T/R组件(或移相器)数量不变的情况下，将天线阵面沿距离向划分为若干不等的子阵，以子阵为单位沿天线方位向交错，交错距离约为T/R组件方位向间距的1/2，可将正规矩形栅格结构的单个大峰值扫描栅瓣散化为多个分布的小峰值栅瓣，使方位向扫描栅瓣峰值大大降低，降低雷达系统受大峰值栅瓣的影响。天线距离向划分成不等间距子阵数量越多、间距种类越多，大峰值栅瓣散化效果越好，但同时增加相控阵天线馈电网络布局和天线框架设计等的复杂性。通过综合考虑馈电网络布局、天线框架设计的复杂性和方位向扫描栅瓣的散化效果，以得到适合工程应用的阵面布局方案。
Description
技术领域
本发明涉及雷达天线技术领域，具体地说是一种星载SAR相控阵天线阵面布局方法。本发明方法可应用于进行有限扫描的相控阵雷达天线，可大大降低峰值扫描栅瓣，降低大峰值栅瓣对雷达系统方位模糊性能的影响。
背景技术
随着天线技术和雷达技术的发展，大量的现代高性能雷达比如高分辨率合成孔径雷达，采用了相控阵天线体制，而且有源相控阵天线的应用越来越广泛，天线性能越来越高，造价也在逐年降低。在现有的相控阵雷达应用中，某些高性能雷达采用了全分布式的二维宽角扫描相控阵天线，但造价往往很高，天线重量密度也很大。出于成本和重量考虑，某些雷达比如星载SAR有源相控阵天线，一般采用距离向单T/R组件激励单辐射单元，实现宽角扫描；方位向单T/R组件激励多种辐射单元，实现有限相控扫描。有限相控扫描是指天线方位向由于出现阶梯量化的相位分布，方位向扫描能力一般很小。扫描范围与相位量化阶梯密切相关，大的相位量化阶梯会降低天线扫描能力，使扫描方向图栅瓣升高。在星载SAR的常规聚束模式或滑动聚束模式下，具有方位向扫描栅瓣大，扫描能力低的缺点，对星载SAR系统的聚束模式成像指标方位模糊性能形成较大影响，甚至使图像出现虚假目标。
常规相控阵雷达天线阵面设计采用正规矩形栅格结构，出于成本和重量等考虑，在扫描范围确定的情况下，相控阵天线采用尽可能少的T/R组件(或移相器)。比如星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，以后简称SAR)相控阵天线在方位向一般采用单个T/R组件(或移相器)连接多个辐射单元的实现方案，在阵面方位向会出现阶梯量化的相位分布。相控阵天线的扫描能力与相位量化阶梯密切相关，大的相位量化阶梯会降低天线扫描能力，也会使扫描方向图栅瓣升高。在常规聚束模式或滑动聚束模式下，具有方位向扫描栅瓣大，扫描能力低的缺点，对星载SAR系统的聚束模式成像指标形成较大影响。
常规相控阵天线采用正规矩形栅格结构，国内也有研究单位对采用三角形栅格结构和稀疏布阵的方案进行了论证。常规三角形阵面布局方案是将天线沿距离向分为若干相同的子阵，沿方位向交替交错。采用这种方案将正规矩形栅格结构的单个大峰值扫描栅瓣散化为几个分布的小峰值栅瓣，使方位向扫描栅瓣峰值有所降低，但降低效果不够理想。稀疏布阵方案是指沿天线方位向中心向边缘逐渐增加单T/R组件(或移相器)激励辐射单元的数量，或逐渐增加单T/R组件(或移相器)间距，使天线方位向实现一定程度的能量密度加权，实现打乱方位向T/R组件(或移相器)排列周期紊乱，降低方位向扫描栅瓣，改善雷达方位模糊性能的目的。采用稀疏布阵方案会增加馈电网络布局和天线框架设计的复杂性，而且提高了辐射方向图的平均副瓣。
发明内容
本发明的目的是针对现有相控阵天线的有限扫描问题，提供一种相控阵天线阵面布局方法，在不增加T/R组件或移相器的情况下，降低相控阵天线在有限扫描情况下的扫描栅瓣，降低雷达系统受大峰值栅瓣的影响。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种星载SAR相控阵天线阵面布局方法，其相控阵天线在方位向实现有限扫描；其包括步骤：
1)在方位向T/R组件或移相器数量不变的情况下，将天线阵面沿距离向划分为若干不等的子阵；
2)以子阵为单位沿天线方位向交替交错，交错距离约为T/R组件或移相器方位向间距的一半；
3)同时，将正规矩形栅格结构的单个大峰值扫描栅瓣散化为多个分布的小峰值栅瓣，从而使方位向扫描栅瓣峰值大大降低，降低雷达系统受大峰值栅瓣的影响。
所述的相控阵天线阵面布局方法，其所述天线子阵沿方位向交错距离约为T/R组件或移相器方位向间距的一半，为0.4～0.5倍，其中，交错距离是指相邻的相互交错的子阵沿方位向重叠部分的距离，所有子阵的交错距离或相等，或不等；当为多种不同的交错距离时，方位向扫描栅瓣散化效果更好，但会增加相控阵天线馈电网络布局和天线框架设计的复杂性。
所述的相控阵天线阵面布局方法，其所述具体步骤包括：
A)建立天线布局对应的方向图模型，建立不同方向图下的雷达系统性能仿真模型；
B)将天线距离向分成若干种不等间距子阵，沿方位向以一定距离交替交错，计算其方向图，并分析方向图对应的雷达系统性能；
C)多次重复第A)、B)步，通过穷举法计算多种子阵划分方案，不同交错距离下的雷达系统性能，形成以非等间距子阵划分方案、子阵交错距离、雷达系统性能三类指标为内容的数据表格，并以雷达系统性能为目标进行排序；
D)综合考虑相控阵天线结构、馈电网络布局、散热等指标，从已排序的数据表格中选出恰当的适合工程应用的阵面布局方案。
所述的相控阵天线阵面布局方法，其所述步骤B)中的一定距离交替交错，取交错距离为T/R组件或移相器方位向间距的0.4～0.5倍。
所述的相控阵天线阵面布局方法，其应用于有源相控阵天线，或应用于无源相控阵天线。
所述的相控阵天线阵面布局方法，其应用于星载SAR系统、临近空间SAR系统、机载SAR系统、汽球载SAR系统；或应用于逆SAR、干涉测量SAR形式的雷达系统。
本发明的方法，在于对常规矩形栅格结构和三角形栅格结构的阵面布局方案进行了改进，提高了天线方位向的扫描能力，但本发明方法并不局限于天线方位向，在某些应用中，也可应用于天线距离向。
附图说明
图1为本发明的星载SAR相控阵天线阵面布局方法，其中，图1A为所有子阵的交错距离相等示意图，图1B为所有子阵的交错距离不等示意图。
图2为正规矩形栅格形式的星载SAR有源相控阵天线阵面布局。
图3为正规矩形栅格阵面布局下方位向扫描1.5度的中心频率归一化方向图。
图4为三角形栅格形式的星载SAR有源相控阵天线阵面布局。
图5为三角矩形栅格阵面布局下方位向扫描1.5度的中心频率归一化方向图。
图6为非等间距交错形式的星载SAR有源相控阵天线阵面布局。
图7为非等间距交错阵面布局下方位向扫描1.5度的中心频率归一化方向图。
具体实施方式
不同相控阵雷达系统对相控阵天线的波束方向图要求不同，天线方向图与阵列布局方案有关。参见图1，本发明所提及的新型阵面布局方法的主要特征是非等间距子阵交替交错，取交错距离为T/R组件或移相器方位向间距的0.4～0.5倍，将单个独立的大峰值栅瓣散化为多个小峰值栅，降低大峰值栅瓣对雷达系统性能的影响。因此，具体实施方式主要体现在如何划分非等间距子阵和确定交错距离上。从总体上看，天线阵面布局方法设计过程如下：
1)建立天线布局对应的方向图模型，建立不同方向图下的雷达系统性能仿真模型；
2)将天线距离向分成若干种不等间距子阵，沿方位向以一定距离交替交错，计算其方向图，并分析方向图对应的雷达系统性能；
3)多次重复上述两步，通过穷举法计算多种子阵划分方案，不同交错距离下的雷达系统性能，形成以非等间距子阵划分方案、子阵交错距离、雷达系统性能三类指标为内容的数据表格，并以雷达系统性能为目标进行排序；
4)综合考虑相控阵天线结构、馈电网络布局、散热等指标，从已排序的数据表格中选出恰当的适合工程应用的阵面布局方案。
实施例：
下面以一典型星载SAR有源相控阵天线设计为例，论述采用本发明方法的新型非等间距交错阵面方案后的性能改善，并与正规矩形栅格结构和三角形栅格结构的阵面布局方案进行了对比。
假设采用正规矩形栅格结构的星载SAR有源相控阵天线口径尺寸为：2800mm(距离向)×3600mm(方位向)，工作频率为X波段，由1152个T/R组件激励。其中距离向128个T/R组件，每个组件激励一个辐射单元；方位向9个T/R组件，每个组件激励18个辐射单元。天线阵面如图2所示。方位向扫描1.5度中心频率归一化方向图仿真结果如图3所示。
采用三角形栅格结构的星载SAR有源相控阵天线阵面布局如图4所示，将天线阵面沿距离向划分为8个相等的子阵，每个子阵16个T/R组件，沿天线方位向交替交错，交错距离约为200mm，如图4所示。方位向扫描1.5度中心频率归一化方向图仿真结果如图5所示。
采用非等间距交错方案的星载SAR有源相控阵天线阵面布局如图6所示，将天线阵面沿距离向划分为6个不等的子阵，其中前4个子阵分别有16个T/R组件，后两个子阵分别有32个T/R组件，沿天线方位向交替交错，交错距离为200mm，如图6所示。方位向扫描1.5度中心频率归一化方向图仿真结果如图7所示。
三种情况下的天线方位向扫描1.5度峰值栅瓣如下表：
从上可以看出，采用上述新的阵面布局方案，天线扫描峰值栅瓣大大降低。
以上所述，仅为本发明方法中的具体实施方式，但本发明方法的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种星载SAR相控阵天线阵面布局方法，其相控阵天线在方位向实现有限扫描；其特征在于：包括步骤：
A)在方位向T/R组件或移相器数量不变的情况下，将天线阵面沿距离向划分为若干不等的子阵；
B)以子阵为单位沿天线方位向交替交错，交错距离约为T/R组件或移相器方位向间距的一半；
C)同时，将正规矩形栅格结构的单个大峰值扫描栅瓣散化为多个分布的小峰值栅瓣，从而使方位向扫描栅瓣峰值大大降低，降低雷达系统受大峰值栅瓣的影响。
2.如权利要求1所述的相控阵天线阵面布局方法，其特征在于：所述天线子阵沿方位向交错距离约为T/R组件或移相器方位向间距的一半，为0.4～0.5倍，其中，交错距离是指相邻的相互交错的子阵沿方位向重叠部分的距离，所有子阵的交错距离或相等，或不等；当为多种不同的交错距离时，方位向扫描栅瓣散化效果更好，但会增加相控阵天线馈电网络布局和天线框架设计的复杂性。
3.如权利要求1所述的相控阵天线阵面布局方法，其特征在于：所述具体步骤包括：
1)建立天线布局对应的方向图模型，建立不同方向图下的雷达系统性能仿真模型；
2)将天线距离向分成若干种不等间距子阵，沿方位向以一定距离交替交错，计算其方向图，并分析方向图对应的雷达系统性能；
3)多次重复第1)、2)步，通过穷举法计算多种子阵划分方案，不同交错距离下的雷达系统性能，形成以非等间距子阵划分方案、子阵交错距离、雷达系统性能三类指标为内容的数据表格，并以雷达系统性能为目标进行排序；
4)综合考虑相控阵天线结构、馈电网络布局、散热等指标，从已排序的数据表格中选出恰当的适合工程应用的阵面布局方案。
4.如权利要求3所述的相控阵天线阵面布局方法，其特征在于：所述步骤2)中的一定距离交替交错，取交错距离为T/R组件或移相器方位向间距的0.4～0.5倍。
5.如权利要求1或3所述的相控阵天线阵面布局方法，其特征在于：应用于有源相控阵天线，或应用于无源相控阵天线。
6.如权利要求1或3所述的相控阵天线阵面布局方法，其特征在于：应用于星载SAR系统、临近空间SAR系统、机载SAR系统、汽球载SAR系统；或应用于逆SAR、干涉测量SAR形式的雷达系统。
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