相控阵雷达天线阵面倾角优化选择研究

本文从雷达系统设计的角度，提出了一种基于雷达系统探测威力分析的天线阵面倾角优化方法。该方法创新性地将雷达系统设计与雷达阵面倾角进行了直接关联，建立了阵面倾角和雷达探测威力之间的函数关系。通过理论推导和仿真分析，对典型覆盖空域的雷达系统进行了阵面倾角优化。经优化分析，相较于垂直阵面，该方法得到的阵面倾角可帮助雷达系统节省6.6%的阵面规模。同时，本文仿真分析了雷达覆盖仰角、高度、距离对雷达最优阵面的影响，为雷达系统设计提供借鉴。

随着雷达技术的发展和探测需求的提升， 雷达系统设计也走向更为精细化的方向[1]-[6]。

通过精细化设计不仅能够有效地实现雷达系统威力的提升，而且可有效控制雷达系统规模，降低使用、维护等方面的成本。尤其是随着雷达系统阵面规模的增加，其平台规模和系统复杂度将呈几何级数的速度增加，极大地增加了雷达系统的研制生产以及使用维护成本[7] [8]。通过对雷达系统设计过程中各参数进行优化， 实现雷达系统性能的提升，对雷达系统的设计是一项非常重要的工作。

雷达阵面倾角是雷达系统设计中的一个基本参数[9]。雷达阵面倾角直接决定着雷达的扫描范围。在雷达系统覆盖空域相同的情况下，改变雷达阵面倾角将改变雷达的扫描范围，扫描范围的不同将直接决定阵面天线单元的间距，进而影响了雷达的增益。合理的阵面倾角能够有效发挥雷达的探测性能，增强雷达的探测威力。

在扫描波束栅瓣不进入实空间的前提下，雷达的扫描范围限制了天线单元间的最大间距，进而限制了雷达系统可实现的最大增益。同时，雷达阵面倾角也改变了波束扫描角度。扫描角度的不同也对雷达系统的增益产生影响。

扫描角度偏离阵面法线的角度越大， 雷达的增益下降就越大， 波束的宽度也越宽。

在一定角度范围内，雷达系统可实现的增益近似与扫描波束偏离法线角度的余弦值成反比关系[10] [11]。

雷达系统在不同仰角上所需的探测威力是不同的。不同的阵面倾角下，雷达的增益的分布也是不同的。

雷达阵面倾角通过改变雷达系统实现对雷达系统最大增益，以及增益和波束宽度在角度维的不同分布， 进而影响雷达的探测威力。最优的雷达阵面倾角能够使得雷达在所需的覆盖区域内，所获得的综合增益是最大的，从而实现在相同阵面规模下，探测威力最远，或在相同探测威力需求下，所需的阵面规模最小。

本文从系统设计的角度对阵面倾角的优化选择开展了研究，建立了雷达阵面倾角、天线单元数量与雷达系统性能(威力)之间的函数关系， 并通过数值仿真对特定的雷达覆盖空域需求下， 雷达阵面倾角与雷达系统天线单元数量之间的关系。在此基础上，通过雷达俯仰覆盖角度、覆盖高度以及探测距离等对雷达阵面倾角的影响进行了仿真分析。

2. 理论原理 为了详细探究雷达阵面倾角、天线单元数量以及雷达威力之间的关系，首先对雷达系统的覆盖空域进行假定：角度覆盖范围为[]0 ~ α ，高度覆盖范围为[]0 ~ h ，距离覆盖范围为R，阵面倾角为ϕ ，如图1 所示。