弹载相控阵探测器天线波束方位向扫描优化方案

传统的阵列雷达探测过程中，各阵列单元在电气上联结在一起，利用伺服机构实现天线阵面的整体旋转，通常被称为机械扫描［70］。与传统机械扫描不同，相控阵探测器利用对各个阵列单元进行复数加权，通过移相器实现阵列波束扫描，可将阵面因子简化为

式中，ai为探测信号增加的阵元权系数；ri为第i个阵元距离阵面中心距离；r＾为单位矢量。当改变权系数ai时，则可以改变式（5-11）等号左边的角度信息，因此可实现阵列波束扫描。

将第2章建立的随机相位调制前视探测信号用于探测器高分辨探测，就是利用变权系数ai改变每一发射阵元的初始相位，其实相控阵天线中的移相器就是最简单的相位调制。为简化测距推导，本章节中的变权系数仅表示数值，并未进行展开推导，变权系数可以表示为

式中，k＝2π／λ。此时，权值将探测波束控制在（θ0，φ0）方向，式（5-12）中的指数项与阵面因子的指数项相互抵消，因此阵元因子为所有加权幅度之和。利用加权的方式能够实现相控阵波束的前视扫描，在利用加权方式实现波束扫描过程中，必须兼顾相控阵探测信号方向图的峰值频率的固定，所以对于权系数而言，必须要求指数特性具有与频率线性相位关系。

设弹载相控阵探测器各阵元的发射信号方向图一致，在发射频率一定时，归一化远场阵列方向图可通过相控阵所有阵元远场方向图相加获得，有

式（5-13）描述了阵元直线排列情况下的全场方向图，其中ap表示每一阵元的权值，相控阵阵元排列方式如图5-2所示。

图5-2　相控阵阵元排列方式

（a）线阵；（b）面阵

对于线阵而言，在频率为定值时产生（θ0，0）方向上方向图E（θ，φ）的最大值，需要赋予各阵元的权值记为

因而

式（5-15）意味着相控阵阵列利用移相器设置复数权重用以实现探测波束扫描，由式（5-15）可以看出，无论波束扫描任一角度，探测波束方向图保持不变。对于面阵而言，第（p，q）个阵元位置向量可以表示为

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通过相位控制使得相控阵阵面的波束峰值位于（θ0，φ0），则阵元因子可以表示为

可将表示为

式中，与分别为按照几何关系进行的分解。则式（5-18）可以分解为两部分，得

对比式（5-15）与式（5-19），可以看出线阵列产生的方向图为阵面产生的方向图的一部分，因此可得，只需研究线阵对目标区域的高程测量模型即可，在后续的研究过程中也是遵循该思想进行推导与研究。

毫米波近炸引信上搭载的探测器由辐射阵面与和、差器组成，整个相控阵面呈圆形，拥有4个波导输出口，包括1个和通道、2个差通道（方位差与俯仰差）、1个校准通道。相控阵面整体分为4象限，每一象限分别与和、差器的4个端口连接，从而形成和方向图、俯仰差方向图以及方位差方向图。弹载探测器相控阵示意图如图5-3所示，同时实测得到的相控阵天线波束扫描实测结果如图5-4所示。

图5-3　弹载探测器相控阵示意图

（a）平面示意图1；（b）平面示意图2

图5-4　相控阵天线波束扫描实测结果

（a）θ＝0°，φ＝0°；（b）θ＝30°，φ＝0°；（c）θ＝60°，φ＝0°

图5-4　相控阵天线波束扫描实测结果（续）

（d）θ＝30°，φ＝90°；（e）θ＝60°，φ＝90°；（f）θ＝60°，φ＝45°

在不同的（θ，φ）条件下对相控阵天线方向图进行了测试，分别在（0°，0°）、（30°，0°）、（60°，0°）、（30°，90°）、（60°，90°）、（60°，45°）方向上利用移相器实现相控阵天线方向图的方向改变，与理论推导相符，说明了弹载相控阵天线波束扫描的可行性与合理性。