寬角掃描相控陣天線空間極化特性研究

胡華強，戴幻堯，周智勇，梁曉新

(1.空軍工程大學，河南 信陽 464000； 2.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003;3.中國科學院大學，北京 100000)

0 引 言

波導縫隙陣列天線廣泛應用于窄波束雷達系統中。其體積小、重量輕、孔徑效率高、旁瓣電平低。目前對陣列天線的輻射特性進行了大量的研究，但沒有考慮波束在寬角度掃描時的極化變化[1-3]。實際上，極化特性總是隨著波束指向的變化而變化。當目標不沿法線運動時，接收信號的極化狀態隨偏轉角度的變化而變化[4-5]。這里定義了天線的空間極化特性，用以描述天線的空間極化緩慢變化的特性。共極化的傳統定義為路德維希，以天線孔徑方向為參考，即所謂的主極化方向。在這種情況下，測試的天線波束是固定的。

在相控陣系統中，天線孔徑是固定的，但在掃描過程中，波束相對于陣列孔徑的方向是變化的，同時主瓣的極化方向圖和極化特性也隨之改變。通過對相控陣天線的遠場和近場測量，一般可以得到其在2個主要平面上的性能：E面和H面。任何一種靈活的測量設備都可以測量任何平面上的共極性和交叉極特性。在這種情況下，合理應用空間極化特性可以為雷達極化信息處理和抗干擾提供新的方法。極化散射矩陣(PSM)被廣泛應用于合成孔徑雷達(SAR)分類成像領域。具體來說，用于極化濾波、極化增強、極化抗干擾、地理遙感、雷達目標識別等領域，可用于提取有代表性的物理參數，提高雷達性能。本文提出了一種新的極化散射矩陣測量方法的理論基礎和定量分析。

1 縫隙天線的輻射特性

縫隙天線設計在具有一定導電特性的表面上，需要考慮邊緣衍射的影響。圖1所示為矩形導電表面的狹長縫隙，電磁場沿x軸呈均勻分布，沿y軸呈余弦分布，縫隙內具有x軸極化電場?？p隙的長度是波長的一半，寬是波長的十分之一。

圖1 陣列縫隙天線圖

縫隙內電場的輻射在xoz平面上達到峰值，在軸向上接近于零。因此，將輻射問題簡化為有無限長的縫隙二維輻射問題。幾何衍射理論表明，除了直接輻射外，還存在2條邊的平行衍射。一個固定遠場點的總電場是這兩者的和，為了簡化，我們忽略了高階衍射。

在無限長的假設下，從縫隙到固定觀測點P(r,θ,φ=0) 的直接輻射場可以表示為:

(1)

有Q1,Q22個邊的衍射場是:

(2)

(3)

衍射系數計算如下:

(4)

所以，總輻射場的大小為:

(5)

2 掃描波束的極化特性分析

輻射電磁場正切分量的傅里葉變換計算如下：

(6)

(7)

其反變換如下：

(8)

(9)

TE和TM可由磁場向量Az和電場向量Amz的Z分量計算出，在全局坐標系中，Az和Amz以波函數疊加的形式給出，其具體表示如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

Ez和Eφ計算公式如下:

(14)

(15)

用無限積分求導給出了近似的解析函數:

(16)

(17)

一般情況下，二維陣列的遠區輻射場可由式(18)求得:

(18)

3 仿真和分析

為了檢驗Co/Cross極化性能，該陣列需要建立一個有限的地平面模型。陣列可以沿x軸定向輻射，如下面的模擬所示。確定陣列的方向，使電場分量水平，即平行于“大地”坐標系中的x-y平面。水平極化(HP)對應于Co極化，垂直極化對應于交叉極化[6]。

陣列極化圖是基于5×5單元矩形槽的輻射圖。陣列工作頻率為1 GHz，所以波長λ等于0.3 m。單元長、寬分別為0.03 m和0.15 m，單元間距為dx=0.25λ和dy=0.8λ。槽陣幾何圖形如圖1所示。輻射圖的三維視圖如圖2～3所示。

圖2 正交極化三維圖

圖3 交叉極化三維圖

在計算中，沒有考慮陣列單元間的相互耦合效應和不匹配。陣列與單個單元相比具有不同的極化特性，因為陣列對當前模式的影響是不均勻的。模擬的主要目的是研究掃描波束的極化特性，并給出一些定性和定量的結論。首先，當電磁波輻射在正常方向時，給出了不同方位角和俯仰角觀測方向的極化特性，然后重點討論了天線在窄掃描角和寬掃描角下的極化特性[7]。

正交極化和交叉極化的三維圖如圖2和圖3所示。E面波束寬度相對較寬，旁瓣約為-20 dB。圖4是考慮了零掃描角所生成的圖案。當觀測方向正常時，只有正交極化電平。當觀測偏離正常方向時，正交極化電平減小，交叉極化電平升高，這解釋了極化狀態是隨觀測方向的變化。方位角面和俯仰角面的輻射圖如圖4和圖5所示。

圖4 俯仰角平面極化圖

圖5 方位角平面極化圖

陣列在方位角面掃描1°，在俯仰角面掃描0°/10°/25°時的仰角圖如圖6所示?？梢钥闯?，極化圖結構發生了變化，交叉極化分量從-50 dB上升了約10 dB，旁瓣也變寬了。當方位角面掃描到10°時(如圖7所示)，仰角掃描在小范圍(0°/2°/4°)時，交叉極化分辨力(XPD)提高到-30 dB左右。當方位角掃描角提高到20°時(如圖8)，XPD接近-20 dB。為了研究方位角平面的極化特性，圖9和圖10給出了一些仿真結果。當槽形相控陣俯仰角面掃描2°，方位角面掃描0°到20°時，旁瓣電平從-25 dB上升到-15 dB，輻射圖出現畸變和不對稱。主瓣的交叉極化電平由-42 dB提高到-35 dB。當寬腳掃描到位置(Ez=30,Az=20)時，電平將上升到-12 dB。計算結果表明，當天線為線極化時，相控陣的極化特性會隨著電氣控制的寬腳掃描而發生變化。同時，天線增益減小，波束寬度增大。事實上，除了波束中心方向外，兩個極化分量并不是處處正交的。雖然極化性質和狀態總是隨著掃描的變化而變化(如圖11)，但這并不意味著極化損耗會增加。它可以看作是一種空間極化多樣性[8]。

(Az=1,Ez=0,10,25)圖6 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Az=10,Ez=0,2,4)圖7 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Az=20,Ez=0,2,4)圖8 俯仰角掃描平面的掃描陣列極化圖形

(Ez=2,Az=0,20)圖9 方位角平面的掃描陣列極化圖形

(Ez=30,Az=0,20)圖10 方位角平面的掃描陣列極化圖形

圖11 龐加萊球面掃描陣列極化狀態

4 結 論

本文主要討論了掃描相控陣的空間極化特性。從理論上推導了波導裂縫陣列的極化圖案函數。通過仿真試驗，定性和定量地給出了掃描陣列天線的極化特性。仿真結果表明，當方位角和仰角較小時，波瓣特性和極化變化不大。但在寬掃描角情況下，主瓣的交叉極化水平急劇增加。為探索和指導相控陣雷達系統搜索跟蹤的信號處理和極化信息處理帶來了新的思路。通過技術改進，單極化相控陣雷達可以獲得完整的極化信息。