一文解析相控阵天线的仿真应用

相控阵雷达与机械扫描雷达有许多共同之处，但天线波束形成和扫描方式的控制却大有差别，使得相控阵雷达天线具有天线波束的快速扫描能力、天线波束形状的快速变化能力、空间定向与空域滤波能力、空间功率合成能力以及天线与平台共形的能力等诸多优点。

相控阵雷达天线波束由计算机控制，在空间几乎是无惯性扫描，具有很大的灵活性。相控阵天线增益随着灵活的波束扫描而发生变化。除此之外，天线阵元的排列方式以及阵元间距等对相控阵天线的增益和方向图有很大的影响。 同时，为了获得较高的天线增益和较低的旁瓣电平，还需对相控阵天线阵面进行适当地加权处理。这也给系统仿真中计算扫描时天线增益带来了许多复杂的问题。 对于一般相控阵天线适用的分析方法，例如雷达天线阵面的加权方式以及天线阵面参数的估算方法等对于多功能相控阵雷达仍然适用。要正确建立理论（或数学）模型关键在于研究天线的以下特性：

相控阵天线的增益系数和方向性系数与空间几何位置和频率的关系；

相控阵天线的效率、带宽等与频率的关系；

相控阵天线的扫描特性。

在此基础上，建立适合雷达电子战仿真应用的相控阵天线模型，既要满足仿真系统的精度要求，同时也需要满足系统的实时性要求。而在实际的仿真过程中存在很多难点，例如：

1. 建立子模块时，阵元间距的确定非常重要，必须进行准确推导。一般通过调整间距参数进行大量仿真，寻找最优值。

2. 通常相控阵雷达天线的接收和发射是共用天线阵面，但雷达接收阵面和发射阵面会有差异。因此必须建立两个仿真模块，分别用于仿真接收和发射天线方向图，而且它们的阵面口径分布对应于不同的函数加权。即使对于接收方向图子模块来说，由于测角的需要，也会存在和波束和差波束两个不同的仿真函数。    

理论模型逼近法

针对上述分析，采用理论模型逼近法来进行天线方向图建模。采用理论模型通过控制相关参数逼近相控阵天线的方向图，例如，可以用几个函数的组合来分别模拟相控阵天线增益方向图的主瓣、第一旁瓣、第二旁瓣等。这种仿真方法比较简单，而且可以达到实时计算，但对整个系统仿真会带来一定的误差。 步骤为：

1)收集待模拟雷达装备天线的相关参数

a)全部电尺寸参数； b)天线方向图特征参数； c)主瓣增益； d)第一副瓣增益； e)半功率点宽度； f)第一零点； g)第二副瓣增益； h)其余副瓣增益。

2)研究相控阵天线的特性 a)研究天线的增益与空间几何位置及频率的关系； b)研究天线的方向性系数与空间几何位置及频率的关系； c)研究天线的效率、带宽与频率的关系； d)研究天线的扫描特性。

3)根据天线的电尺寸参数得到该天线方向图的特征参数

4)“最优估计”

根据天线方向图特征参数和该天线特性所具有的规律，利用分段天线方向图理论模型，通过控制理论模型参数的方法获得该天线方向图的“最优估计”。     

拟合模型逼近法

 

在数字系统中将相控阵天线的仿真作为一个预处理的过程来进行，采用拟合模型逼近法进行仿真，在充分考虑相控阵天线波束在扫描的过程中方向图的变化规律的基础上，用几个辛格函数主瓣的组合来分段模拟相控阵天线方向图。 根据分析，典型的多功能相控阵雷达采用强迫馈电方式，角误差提取方法为振幅和差法。振幅和差测角的相控阵天线仿真，可先将天线阵面4个象限所有单元的接收信号分别相加，得到4个子天线阵的输出信号，然后再送比较器分别形成和波束、方位差波束和俯仰差波束。

在相控阵天线的模拟过程中，主要包括以下几个步骤：

天线波束指向阵面法向时单波束天线方向图的模拟；

天线波束指向阵面法向时和差波束的形成；

天线波束指向偏离阵面法向时的和差波束形成。

由于在正弦空间坐标系下相控阵天线方向图的形状不随波束扫描角的变化而改变，因此在此坐标系下模拟相控阵天线方向图时只需先绘出天线波束指向阵面法向时的单波束天线方向图、和波束天线方向图、方位差天线方向图和俯仰差天线方向图；当天线波束扫描偏离法线方向时，方向图的形状不变，只需在和差波束上乘上相应的幅度衰减因子即可。 总结上述分析过程，提炼出相控阵雷达天线方向图模拟仿真的一般流程，即：

输入天线阵面球坐标系内的目标、波束中心位置；

模拟天线波束指向阵面法向时的单波束方向图；

模拟天线波束指向阵面法向时指向方位坐标系内的和差波束方向图；

得到天线波束任意指向时天线方向图模拟。

编辑：黄飞