非周期阵列形式研究

1 引言

对于大型固态有源相控阵，移相器和T/R组件的成本都使雷达的研制和生产费用大幅度上升。因此在确保天线性能的前提下尽量减少单元数目在工程应用中显得很有必要。增大单元间距是减少单元数目降低成本的有效方法.但由于单元间距比较大，如果仍然采用周期阵形式，则不可避免的会在实空间内出现栅瓣。针对这个问题本文提出采用大单元间距非周期阵列形式抑制栅瓣的方法，阐述了非周期阵抑制栅瓣的原理，并对中小规模的非周期阵列形式进行了研究，在此基础上本文还进一步研究了适应于大型相控阵的非周期阵列形式。

2 非周期阵列抑制栅瓣的原理

传统的周期阵列为了避免在法向和扫描过程中出现栅瓣要求单元间距限制在1个波长以内。随着单元间距的增大,栅瓣开始在实空间出现并逐渐靠近主瓣, 使波瓣性能急剧恶化,并引起扫描增益下降,从而限制了扫描范围。

这种由于单元间距增大和阵列周期性排列引起的栅瓣可通过在子阵级或者单元级进行非周期排列而得到一定程度的抑制。阵列的非周期性排列打破了造成高电平栅瓣的整个阵列的周期性，从而达到抑制或避免栅瓣的目的。单元级的非周期排列实现了全阵完全非周期化，在小型阵列情况下较易实现和控制。子阵级的非周期化目的是使各个子阵的栅瓣在方向余弦空间中的位置不同，从而使各个子阵的栅瓣不能叠加。而各个子阵的主波束，由于指向同一方向，在方向余弦空间中的位置相同，同相叠加。所以对于整个天线阵，其主波束的电平高度要远高于其分裂后的栅瓣高度。这种情况下子阵内部还可以是周期性排列的，这样能大大减小阵面其他部分的设计难度。采用非周期阵列形式不仅意味着单元数目少，制造成本低，还具有结构易实现、移相器总激励电流小、对电的需求量低、通风散热好的优点。

3 非周期阵列形式的研究

阵列排布的非周期化可在单元级和子阵级实现.

3.1 单元级非周期阵列形式

介绍了不等尺寸阵元组成的非周期阵、环形阵、旋转变形阵三种非周期阵列形式，都属于单元级非周期阵列。

不等尺寸阵元组成的非周期阵的阵面排布如图1所示，阵面上不同部分单元大小不同，相当于单元间距不相等，从而形成了整个阵列的非周期性。

图1 不等尺寸阵元组成的非周期阵

环形阵相邻阵元间距不存在最大公约数，这使环形阵不存在栅瓣。环形阵阵面排布如图2所示：

旋转变形阵是在环形阵基础上进行了调整。旋转变形阵也不存在栅瓣，适当选择参数和单元位置纬向偏转函数可以获得较好的波瓣性能且能适应不同口径变化的需要。旋转变形阵阵面排布仿真图如图3所示：

图2 环形阵 图3 旋转变形阵