低副瓣相控阵：新一代声学技术

低副瓣相控阵对掩护式干扰机的干扰效果影响很大，天线设计者对低副瓣很感兴趣，在AWACS 雷达中用于杂波抑制的低副瓣的要求导致了低副瓣相控阵技术的产生。目前，此技术可使副瓣电平比主瓣峰值低50 dB 以上。获得这些低副瓣特性要付出很多代价：①增益减小；②波束宽度增大；③容差更严格；④成本增加；⑤需要在无障碍的环境中运行，否则容易增加副瓣。尽管存在这些缺陷，但因低副瓣能提供良好的抗电子干扰的能力，使低副瓣天线的发展很快。

通过孔径幅度分布，可以控制天线副瓣。对于相控阵，每个单元的幅度可以分别控制，因此，可获得良好的副瓣特性。

设计低副瓣天线可分两步进行：

第一步：选择正确的照射函数，获得所需的误差副瓣电平；

第二步：控制影响随机副瓣的相位误差和幅度误差。

在这两步中，只有误差控制会从根本上限制副瓣性能、照射函数和误差的影响。

均匀照射（幅度不变）将产生最高的增益和最窄的波束宽度，但是以高副瓣作为代价。当幅度逐渐减小时，增益下降，波束加宽，副瓣会减小。选择适当的照射函数，使之增益损失最小，提供低副瓣。

（1）对线性照射函数：波束宽度Kλ/a，其中，a 为天线长度。其线性照射函数见表9.1。

表9.1　天线线性照射函数表

（2）对圆照射函数：波束宽度Kλ/D，其中，D 为天线直径。其圆照射函数见表9.2。

表9.2　圆照射函数表

泰勒照射增益损耗与副瓣电平的关系如图9.13 所示。

当相位和幅度产生误差时，能量会从主波束转移出来，并分配给副瓣。如果误差是随机的，则副瓣也是随机的。若误差是相关的，副瓣能量将集中在远场的离散的位置上，因此，相关的误差可造成较高的副瓣，但只出现在有限数目的位置上。

独立随机误差为

式中　σφ——均方根相位误差；

　　　σA——均方根幅度误差。

均方根副瓣误差为

例9.1　一个孔径效率ηa= 0.7，N=5 000个单元的阵列，σA= 0.1，σφ=0.1，得(www.xing528.com)

图9.13　泰勒照射增益损耗与副瓣电平的关系

有许多相位误差和幅度误差是由移相器、馈电网络、辐射单元机械结构引起的。制造低副瓣天线，要求幅度误差减小到零点几分贝，相位误差减小到几度。单元数目越少，误差容限越严格。图9.14 所示为随机误差引起的随机副瓣。

图9.14　随机误差和均方根副瓣误差

相控阵雷达的均方根副瓣电平为

式中　1-p——失效单元的概率。

如p=1 时也没有失效，式（9.19）变为

例9.2　希望在空间给定的点以0.99 的概率使副瓣保持比主瓣峰值低40 dB 以上，可以在图9.15 中横坐标的-40 dB 处画一条直线，直至它与p=0.99 的曲线相交，从这个交点引一条水平线并读出均方根副瓣值，其值为-47 dB，即MSSL=-47 dB。

对于有10 000个单元的阵列，N=104，即

对ηa=1，此阵列可允许p=0.83 或σA=3.2 或σφ=25.6°，应估计每一种类型的误差，并对失效单元、幅度误差、相位误差给出一定的分配预计。

图9.15 中，RT为给定的副瓣电平。对于5 000个单元的阵列，在任何单一位置上单个副瓣电平不超过RT的概率为0.999。

图9.15　在不同概率条件下，均方根副瓣电平与RT的关系

对于极低副瓣阵列，考虑到随机变化的合理性，允许少数副瓣超过均方根副瓣电平值，达到10～12 dB，这可以看作概率p=0.5 和p=0.999 之间的差异。如果不允许有这些容差，在规定精确的副瓣要求之前，要做一些概率计算。

在相控阵雷达中，有很多因素都会引起相位误差和幅度误差，这些误差都会影响相控阵雷达的副瓣电平。因此，研制一部极低副瓣电平的相控阵雷达，也是相当困难的。