基于频率编码的频率分集阵列雷达技术研究

基于频率编码的频率分集阵列雷达技术研究

作者：杜军 钟德星 高英鹏 刘恒 来源：《现代信息科技》2019年第04期

摘 要：相控阵天线以其灵活的波束控制能力得到了广泛的应用，原理是通过天线单元的移相器实现能量的空间合成，这就需要大量的移相器，增加了成本、体积、重量。本文研究频率分集阵列，无须移相器，通过频率编码设计实现了对空间和距离二维波束控制，并通过仿真验证了设计的正确性。

关键词：阵列天线；频率分集；频率编码

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0058-03 Research on Frequency Diversity Array Radar Technology Based on Frequency Coding

DU Jun1，ZHONG Dexing2，GAO Yingpeng1，LIU Heng1

（1.China Huayin Ordnance Test Center，Huayin 714200，China；2.Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

Abstract：Phased array antennas are widely used for their flexible beam control capabilities. The main principle is to achieve space energy synthesis by the phase shifter of the antenna unit.

However，phased array antenna requires a large number of phase shifters，this will increase the cost，volume，and weight. This paper studies frequency diversity array without phase shifter，and realizes space and distance two dimensional beam control through frequency coding. The correctness of the design is verified by simulation.

Keywords：array antenna；frequency diversity array；frequency coding 0 引 言

在現实的雷达设计中，通常需要保证雷达威力，要求雷达具有远距离探测能力，其中一个关键因素就是天线，天线具有高增益特性，有利于提升雷达威力，实现高增益天线可以采用阵列天线[1，2]的形式，同时还可以实现窄波束，提高雷达的测角精度。阵列天线是由多个单元天线根据设计组合排布而成的，根据天线辐射工作特性，通过对单元天线施加不同的幅相激励，使辐射出的电磁波在空间按照需要的方式进行叠加。阵列天线根据工作机理，控制电磁波叠加形成扫描的方式不同，可以分为机械扫描阵列天线、电子扫描。机械扫描的设备维护较为复杂，相控阵和频率扫描天线不能利用线性相控阵雷达实现目标距离和方位的二维联合估计。

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阵列天线一直在进化发展，最初的阵列天线可以称之为机械扫描天线，该形式的阵列天线主要通过一个伺服系统控制转台，通过转台配合天线阵面，在空间实现扫描，转台通过电机实现，因此属于机械扫描。这种机械扫描阵列天线出现于二战早期，由于其技术难度低，最早广泛应用于各种对空的警戒雷达。雷达扫描需要借助于伺服系统，扫描会受到机械惯性以及风力等条件的限制，而且机械扫描的设备维护较为复杂。但是其优点也很明显，即雷达的设计简单，不需要移相器，成本较低。

而后随着科技不断发展开始出现利用电子技术实现波束的空间合成，从而控制波束进行扫描。根据控制的变量不同可以分为通过相位控制的相控阵阵列天线和通过发射信号频率控制扫描的频率扫描阵列天线。这两种扫描方式都可以抛弃私服转台，在空间实现电扫。

随着相控阵技术的不断发展，以及相控阵器件的逐渐成熟，相控阵列天线越来越多地应用于通信、雷达、测控等领域。相控阵的主要工作方式是在每一个单元天线后面安装一个移相器装置，该移相器可以是模拟的铁氧体移相器，也可以是数字移相器，其工作机理都是对单元天线接收回波信号的相位进行控制。通过对每一个单元天线的控制实现阵列合成的效果，控制波束实现空间扫描。另外一种频率扫描天线，通过改变发射信号的频率，随着发射信号频率改变，电磁波波长变化，从而控制波束在空间的合成，也可以实现波束扫描。但是相位控制扫描和频率扫描天线都是根据天线的物理特性，从天线阵面本身的特性出发，控制波束在俯仰和方位上扫描，没有能进一步的开发距离维度的信息，缺少了联合多维（方位、距离）估计的能力。

最早在2006年的国际雷达会议上一种新型的阵列天线被普遍关注，该阵列天线称为频率分集阵列（Frequency Diverse Array，FDA）[3，4]。频率分集阵列是无须移相器实现空间波束扫描的一种新型阵列。频率分集阵列不需要借助于机械转台也不需要增加额外的移相器设备，可以降低天线成本，有效减少系统功耗，本文首先介绍传统相控阵雷达的波束控制机制，而后研究了频率分集雷达的波束形成机理，并采用频率编码实现频率分集阵列雷达波束的控制，最后给出仿真验证结果。 1 相控阵雷达机制

不失一般性的以均匀线阵为例，天线阵列由各个单元为理想无耦合的全向单元天线组成，在传统的相控阵天线中各个单元天线激励的射频信号都采用一个频率，目标位置P满足远场条件，假设目标到阵列的方位向夹角为θ，阵元等间隔d排布。 上述均匀线阵的归一化方向图函数可表示成：

此时各个阵元相位一致，例如采用0相位激励，则波束主瓣为阵列的法线方向。相控阵天线阵列可以通过移相器给每个单元天线接收信号施加一个相位ψ，经过天线射频网络，各个单元移相后的信号进行叠加可以写成阵列的阵引子形式：

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其中，γ′=kdsinθ-ψ，根据推导移相器的相位控制量ψ与控制天线波束指向的角度变化量θ0建立相互关系，即使得ψ=kdsin（θ0），那么γ′进一步写为：

当γ′除以2π为整数时，阵因子取得最大值，也就是此刻波束主瓣对准θ0方向，这就是相控阵天线波束扫描的机理，通过控制移向器的移相量，使得波束主瓣对应不同θ0时阵因子最大，也就是空间实现了波束扫描。 2 频率分集阵列与频率编码方向图控制

不同于一般的阵列天线，所有天线单元的激励的频率都一样，频率分集雷达在各个天线单元上的激励信号频率都是可以独立控制的。也就是可以做到每个天线单元发射一个特定频率的信号。为了建立联系，可以使每个相邻阵元发射的信号频率相差Δf，通常情况下，单元天线间的频差要远远小于射频的中心频率。

频率分级阵列各阵元与参考阵元相位ψ0的相位差可表示成：

观察上面的式子，可以看出等号右边第一项均为标准相控阵天线中的阵因子项，因此相同项可以相消，不失一般性的，用第n个阵元相位减去参考阵元相位，将其二者相位写为： 其中，2πf0cosθ0为移相器相移量，θ0实际上代表波束指向角，为了便于理解，可以将式子中包含相位的因子看成一个传统相控阵中的移相值，进而可以将频率分集阵列当成一个通过控制移相的相控阵来研究，也可以将该两个相位因子当作等效的移相量来对待，即： 因Δf

从上面的式子中可以看出阵列天线工作频率f0，单元天线间距d，频率分集的频率间隔Δf在天线设计好后是可以确定的，即阵列天线的主瓣方向θ0会随着观测距离R0的变化而变化，也就是空间距离和方位具有耦合的特点，这是频率分集阵列的独特性质，这一耦合性质是可以利用的。综上所述，频率分集雷达除了能控制在方位角度θ0上形成波束，利用和距离上的耦合关系，根据上式所示，可以计算出与距离R0相关的参数，够成一组等效的移相关系，在制定的位置θ0和关注的距离R0上形成主瓣波束。 3 仿真分析

根据上一节推导的频率编码计算方法，得出此时的编码如表1所示。

表1中给出24阵元，阵元间距半波长，频率间隔600Hz，期望指向80°，距离6km时的频率编码。并给出相应的仿真结果。如图2（a）和图2（b）中所示，从距离、方位、方向图三维来看，主波束和相控阵不同，相控阵方向图在某一方位上，各个距离上的方向图一致，而通过频率编码使得方向图可以在距离维度上实现控制，在不同方位和距离上形成主波束。

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如图2（c）所示，给出了方位的切向方向图，可以明显看出在期望80°方向正确形成主波束，如图2（d）中所示，在距离切向方向图可以明显看到在期望的6km形成主波束。经过24阵元频率编码控制相位差，波束空间合成，在期望方向和期望距离上形成主波束，验证了算法的有效性。 4 结 论

本文研究频率分集阵列，利用阵元频率间隔设计实现无移相器的空间与距离波束聚焦。从传统相控阵天线阵列波束控制机制出发，推导了频率分集阵列的波束控制原理，通过频率编码实现对期望方向，期望距离的波束合成，通过仿真验证了波束控制結果。 参考文献：

[1] ARAKI K，TANAKA A，MATSUMURA E. Wide scanning phased array antenna design in Ka band [J]. IEE Proceedings - Microwaves，Antennas and Propagation，2003，150（5）：379. [2] 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术 [M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] DIRNER P，LIN S. Measured Frequency Diversity Improvement for Digital Radio [J]. Communications，IEEE Transactions on，1985，3（1）：106-109.

[4] Mao Ching Chiu，Wei Du Wu，Chi chao.Frequency-diversity coded OFDM forultra-wideband systems with under-sampling-rate receivers [C].IEEE International Conferenceon Communications，US，IEEE，2005：2852-2856.

作者简介：杜军（1977-），男，汉族，陕西西安人，硕士，研究方向：雷达总体。