一文解析相控陣天線的仿真應用

相控陣雷達與機械掃描雷達有許多共同之處，但天線波束形成和掃描方式的控制卻大有差別，使得相控陣雷達天線具有天線波束的快速掃描能力、天線波束形狀的快速變化能力、空間定向與空域濾波能力、空間功率合成能力以及天線與平臺共形的能力等諸多優點。

相控陣雷達天線波束由計算機控制，在空間幾乎是無慣性掃描，具有很大的靈活性。相控陣天線增益隨著靈活的波束掃描而發生變化。除此之外，天線陣元的排列方式以及陣元間距等對相控陣天線的增益和方向圖有很大的影響。 同時，為了獲得較高的天線增益和較低的旁瓣電平，還需對相控陣天線陣面進行適當地加權處理。這也給系統仿真中計算掃描時天線增益帶來了許多復雜的問題。 對于一般相控陣天線適用的分析方法，例如雷達天線陣面的加權方式以及天線陣面參數的估算方法等對于多功能相控陣雷達仍然適用。要正確建立理論（或數學）模型關鍵在于研究天線的以下特性：

相控陣天線的增益系數和方向性系數與空間幾何位置和頻率的關系；

相控陣天線的效率、帶寬等與頻率的關系；

相控陣天線的掃描特性。

在此基礎上，建立適合雷達電子戰仿真應用的相控陣天線模型，既要滿足仿真系統的精度要求，同時也需要滿足系統的實時性要求。而在實際的仿真過程中存在很多難點，例如：

1. 建立子模塊時，陣元間距的確定非常重要，必須進行準確推導。一般通過調整間距參數進行大量仿真，尋找最優值。

2. 通常相控陣雷達天線的接收和發射是共用天線陣面，但雷達接收陣面和發射陣面會有差異。因此必須建立兩個仿真模塊，分別用于仿真接收和發射天線方向圖，而且它們的陣面口徑分布對應于不同的函數加權。即使對于接收方向圖子模塊來說，由于測角的需要，也會存在和波束和差波束兩個不同的仿真函數。 ? ?

理論模型逼近法

針對上述分析，采用理論模型逼近法來進行天線方向圖建模。采用理論模型通過控制相關參數逼近相控陣天線的方向圖，例如，可以用幾個函數的組合來分別模擬相控陣天線增益方向圖的主瓣、第一旁瓣、第二旁瓣等。這種仿真方法比較簡單，而且可以達到實時計算，但對整個系統仿真會帶來一定的誤差。 步驟為：

1)收集待模擬雷達裝備天線的相關參數

a)全部電尺寸參數； b)天線方向圖特征參數； c)主瓣增益； d)第一副瓣增益； e)半功率點寬度； f)第一零點； g)第二副瓣增益； h)其余副瓣增益。

2)研究相控陣天線的特性 a)研究天線的增益與空間幾何位置及頻率的關系； b)研究天線的方向性系數與空間幾何位置及頻率的關系； c)研究天線的效率、帶寬與頻率的關系； d)研究天線的掃描特性。

3)根據天線的電尺寸參數得到該天線方向圖的特征參數

4)“最優估計”

根據天線方向圖特征參數和該天線特性所具有的規律，利用分段天線方向圖理論模型，通過控制理論模型參數的方法獲得該天線方向圖的“最優估計”。 ? ??

擬合模型逼近法

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在數字系統中將相控陣天線的仿真作為一個預處理的過程來進行，采用擬合模型逼近法進行仿真，在充分考慮相控陣天線波束在掃描的過程中方向圖的變化規律的基礎上，用幾個辛格函數主瓣的組合來分段模擬相控陣天線方向圖。 根據分析，典型的多功能相控陣雷達采用強迫饋電方式，角誤差提取方法為振幅和差法。振幅和差測角的相控陣天線仿真，可先將天線陣面4個象限所有單元的接收信號分別相加，得到4個子天線陣的輸出信號，然后再送比較器分別形成和波束、方位差波束和俯仰差波束。

在相控陣天線的模擬過程中，主要包括以下幾個步驟：

天線波束指向陣面法向時單波束天線方向圖的模擬；

天線波束指向陣面法向時和差波束的形成；

天線波束指向偏離陣面法向時的和差波束形成。

由于在正弦空間坐標系下相控陣天線方向圖的形狀不隨波束掃描角的變化而改變，因此在此坐標系下模擬相控陣天線方向圖時只需先繪出天線波束指向陣面法向時的單波束天線方向圖、和波束天線方向圖、方位差天線方向圖和俯仰差天線方向圖；當天線波束掃描偏離法線方向時，方向圖的形狀不變，只需在和差波束上乘上相應的幅度衰減因子即可。 總結上述分析過程，提煉出相控陣雷達天線方向圖模擬仿真的一般流程，即：

輸入天線陣面球坐標系內的目標、波束中心位置；

模擬天線波束指向陣面法向時的單波束方向圖；

模擬天線波束指向陣面法向時指向方位坐標系內的和差波束方向圖；

得到天線波束任意指向時天線方向圖模擬。

編輯：黃飛

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