利用稀布設計低成本單脈沖天線(xiàn)

0 引 言
單脈沖雷達天線(xiàn)是一種同時(shí)多波束天線(xiàn)。它在單次脈沖回波中檢測比較角誤差所需的全部波束。其中相控陣單脈沖雷達天線(xiàn)的掃描速度快，可實(shí)現對大空域多目標的跟蹤。為了實(shí)現對目標的良好跟蹤，往往要求較高的方向性和角分辨率，然而方向性與其口徑成正比，為了滿(mǎn)足不產(chǎn)生柵瓣的條件，輻射單元數也必須成比例地增加。大型相控陣不僅結構復雜，而且造價(jià)高昂。這嚴重限制了相控陣天線(xiàn)的應用。
稀布陣的主要優(yōu)點(diǎn)是它的波束寬度取決于其總口徑的大小，而與輻射單元數無(wú)關(guān)。因此，對于相同的波束寬度要求，它所用的單元數可比滿(mǎn)陣時(shí)少得多，因此其成本也大大降低。稀布陣的主要缺點(diǎn)是發(fā)射機的功率利用率很低，與滿(mǎn)陣相比，主波束僅包含了總功率的一部分，其余部分則進(jìn)入了隨機副瓣。P．J．Kahrilas利用稀布陣設計了一個(gè)空饋單脈沖天線(xiàn)，在相同角分辨率的要求下，實(shí)現了有源單元數目的最小化。稀布的方法可分為兩類(lèi)：
統計方法抽取首先確定布陣采用的柵格，再在此基礎上根據特定的概率密度函數，在部分柵格位置上放置輻射單元。在此基礎上，還可以采用優(yōu)化算法進(jìn)一步降低稀布陣的副瓣。
確定性密度錐削 基于均勻加權的非等間距陣與幅度加權等間距陣的等效性，采用的單元柵格間距不等。對于單脈沖天線(xiàn)存在和差波束兩種加權方法，而確定性密度錐削法只能滿(mǎn)足其中一種加權的要求，而且非等間距陣的饋電網(wǎng)絡(luò )設計難度較大。由此可知，統計抽取方法在相控陣單脈沖天線(xiàn)的稀布設計中更有優(yōu)勢。
針對某單脈沖相控陣天線(xiàn)的設計要求，在保證波束寬度的情況下，采用均勻抽取方法設計了一個(gè)稀布陣，僅保留了對應滿(mǎn)陣的70％的單元。通過(guò)仿真，比較了稀布陣與滿(mǎn)陣在相同加權下的和差波束指標，發(fā)現稀布陣通過(guò)犧牲增益和副瓣電平指標，以較少的單元實(shí)現了設計要求，節省了約20％的成本。

1 稀布陣的設計
某稀布陣的主要設計要求如下：
天線(xiàn)口徑：≤46個(gè)波長(cháng)；增益：≥40 dB；掃描范圍：≥30(圓錐掃描)；副瓣電平：≤一20 dB；和波束寬度：1．5±O．1°；差波束零深：≤一30 dB。
由于該稀布陣的掃描方式為圓錐掃描，采用圓口徑陣面。為實(shí)現一20 dB的副瓣，擬采用一30 dB圓口徑Taylor加權，其口徑效率約為0．85，則天線(xiàn)增益可估算為：

其中：G是天線(xiàn)增益；λ是波長(cháng)；S是口徑面積；η是口徑效率。估算得的增益為42．5 dB，與增益指標相比余量較大，有稀布的可能。
為了減小輻射單元的損耗，采用角錐喇叭作為輻射單元。根據掃描范圍的要求，天線(xiàn)單元的3 dB波束寬度不宜小于60°。綜合考慮波導損耗、單元的增益及單元的空間尺寸，選擇了一種在工作頻率時(shí)尺寸較小的非標準波導，并在此基礎上設計了E面與H面等化，3 dB波束寬度約80°的喇叭，Ansoft HFSS仿真所得的方向圖如圖1所示。它在工作頻帶內的駐波優(yōu)于1．3 dB，將造成約0．1 dB的失配損耗。其增益約為7 dB。根據掃描范圍無(wú)柵瓣的要求，相鄰單元的間距不超過(guò)2／3波長(cháng)，取單元間距為0．64波長(cháng)。圓口徑滿(mǎn)陣的陣面共有3 940個(gè)單元，如圖2所示。增益重估為：