基于天線共享孔徑的研究

李志勇 韓文婷

摘 要：隨著當今信息技術的發展，各種平臺的電子設備日益增多，帶來了空間、時間、能量等資源的緊張。因此，把不同種類、不同功能的電子設備進行一定的結合，構成一體化的資源系統已經成為時代發展的必然。雷達和通信是當今不少平臺都必須具有的功能，因此對其都需要用的的天線設備進行共享研究是具有現實意義的。本文在閱讀較多文獻的基礎上對現有研究進行了總結并提出了自己一定的看法。

關鍵詞：信息技術;通信;設備

0 引言

共享天線孔徑一般是指在寬帶相控陣天線和先進波束形成技術的基礎上，根據具體的雷達、通信等任務需求，通過設計、計算各自所需的波束特征并事先存儲起來;在實際的任務執行過程中，通過波束捷變等方式，對同一個天線孔徑進行復用。當前對天線共享孔徑的研究主要分為兩個方面。一種是對天線共享孔徑任務調度的研究，另一種為天線孔徑的共享分析與優化。相控陣天線的出現以及大量應用給共享孔徑任務調度的研究帶來了實現的可能性。對于相控陣天線，發射和接收都是可以由相互獨立的射頻單元負責，個別射頻單元的失效并不會對系統的整體性能帶來較多影響，而且相控陣天線的掃描速度快，波束方向靈活可控。在相控陣天線的這種特點下，它的每個天線陣元的功能可以隨時進行切換，因此天線孔徑可以根據不同的需要進行動態分割，這就使得天線可以進行動態切換同時執行多種任務。稀疏布陣和子陣交錯技術的出現使共享天線孔徑有了新的解決方案，即可進行天線孔徑的共享分析和優化。所謂稀疏陣列是指為了達到一定的功能效果，采用部分的陣元就可以在主要的性能指標上達到原來滿陣列的效果。這樣一方面節省了陣列資源，另一方面如果對稀疏掉的陣元應用于通信等其它的功能就實現了同一陣列天線的合理劃分與嵌套，且可以同時形成兩種以上的波束。子陣交錯技術則是在稀疏陣列的基礎上，將兩個以上的陣列交錯放置，這樣使得不同功能的天線陣列可以交錯使用同一孔徑。

1、當前研究現狀

對于有源相控陣天線，相關的研究和實驗已經表明，當小于10%的射頻單元失效時，對系統沒有明顯的影響，無需進行停機檢查維修;即使有30%的單元不能正常工作時，系統的增益約降低3db，仍可以繼續工作[1]。這一突出特點表明共享相控陣天線的實現可能性大大提高。2005年開始，美國的雷聲公司、L3公司就在有源相控陣雷達的基礎上進行了通信數據鏈的研究工作，利用AN-APG79雷達（裝備在F-22型戰斗機）加裝通信調制設備的形式實現了高速數據傳遞。2007年，洛克希德.馬丁公司、格魯曼公司和L-3通信公司在有源相控陣雷達的寬帶通信實驗中，利用AN-APG81雷達（裝備在F-35型戰斗機）共同合作完成了有源相控陣雷達與地面通用數據鏈的調制仿真器之間進行相關數據的發射與接收實驗，此實驗也證明了雷達數據鏈具有通信所需要的短距離、大帶寬和高速率的能力[2]。美國海軍實驗室于1996年啟動的先進多功能射頻概念（AMRFC）計劃，根據不同的任務類型對天線孔徑進行了分割，達到了天線同時實現多種功能的目的[3]。進一步說，利用相控陣天線可以形成多波束的特點，結合雷達、通信設備執行任務時的要求，對天線孔徑進行共享使用，經過一定的計算和權衡后可同時形成獨立的多個波束，每個波束進行自己獨自的任務，從而達到雷達、通信等多種任務的同時實現。美國海軍AMRFC實驗室設計了共享孔徑多頻段天線，它由四個電子掃描子陣列組成，它可以在不同威力范圍內的三個頻段上工作[4]。

不管是有源還是無源的相控陣天線，為了充分利用孔徑資源，當需要執行任務的類型和數量較多時，天線的孔徑資源就沒有辦法隨意分割使用。此時需要對天線任務進行合理的劃分、管理與調度。其中，胡衛東等人對相控陣天線陣列中的資源調度、實時任務分配、計算負載管理等比較關鍵的問題作了較為全面的總結[5]。但是，他們的研究主要集中在了單個孔徑下的分時調度問題上。天線孔徑動態分割條件下的任務調度問題成果較少，僅在少數文獻中提及[6，7]。由于每個子孔徑根據不同的需要可能會執行不同的任務，而且每種任務需要占用的孔徑數量也不盡相同。因此文獻[7]提出動態分配天線資源可以先根據孔徑面積百分比進行劃分，之后再根據具體的任務進行動態分配孔徑面積，這樣不管是否相鄰的子孔徑之間都可以直接組合起來執行對應的任務，初步實現了任務調度。葛悅禾分析了天線可以同時在兩個頻段內進行工作并對其進行了設計[8];空軍工程大學李龍軍等人的相關研究[9，10]指出，對寬帶陣列天線進行共享孔徑的多子陣交錯的設計優化后，能達到對不同子陣的旁瓣峰值進行有效的抑制的能力;郭華以兩個子陣列方向圖的最高旁瓣電平作為優化的目標，對雙頻共享孔徑陣列天線進行了設計[11];石長安等指出，在對共享天線進行設計時，要達到雷達天線的主瓣波束較窄、最大旁瓣增益要小，通信的互干擾要小[12]。

2、主要研究工作

一般的陣列天線分為線性陣列、平面陣列（矩形網格陣列、圓周邊界矩形網格、圓周邊界六邊形網格、圓周網格、同心圓周網格）等。而線性陣列是平面陣列的基礎，因此大多數相關工作都是圍繞著線性陣列展開。評價線性陣列的指標通常是看它的方向圖性能和最大旁瓣電平或者最大相對旁瓣電平。對于一般的線性陣列，設各陣元幅度激勵相同則兩個子陣的方向圖分別表示為：

針對線性陣列的優化，以 Coman C.I 和 Simeoni M 為代表的研究小組，利用循環差集及其“補集”的方法實現了多子陣的稀疏交錯布陣[13]，但差集的參數會限制到陣列的結構，而且這樣設計的陣列往往不是最優解[14]，子陣存在較高的旁瓣電平。因此胡繼寬等人提出了一種將差集與遺傳算法相結合來對陣列進行優化的方法[15]。首先利用差集理論確定各個陣元的位置，然后在以陣元的幅度激勵為變量，把旁瓣電平作為優化指標，利用遺傳算法進行優化。利用該方法得到的方向圖子陣旁瓣電平較低，共享孔徑交錯陣列的整體性能得到一定的提升。但是該方法中的遺傳算法計算復雜度較高，會占用較大的資源，而且分步優化的方法比較復雜。如果陣元的激勵改變也會增加陣元饋電網絡設計的復雜度。李龍軍等人利用天線單元激勵與方向圖之間存在傅里葉關系提出了一種不同工作頻率下多子陣交錯的陣列天線優化方法[9]。首先將陣列天線的不同工作頻率差異轉換為不同的單元激勵，利用密度加權的原理確定不同工作頻率下各個子陣單元的位置，使各個子陣的方向圖與交錯稀疏子陣的方向圖近似一致。在此基礎上李龍軍等人又提出了改進方法[10]，通過傅里葉逆變換第一次確定子陣方向圖的時候將旁瓣電平人為設置為約束旁瓣值，之后進行傅里葉變換，將陣元激勵大小排序后采取奇偶交錯方法選取陣元位置，而后將子陣1的激勵設置1，完成一次優化。之后不斷迭代直到找到該方法下的最優值。該方法與遺傳算法相比具有更低的旁瓣電平，而且計算量相對來說較少，計算速度更快。但是該方法得到的方向圖的旁瓣電平也相對較高，還可以進一步優化。劉新星[16]等人提出了一種基于模擬退火算法的共享孔徑多子陣交錯分布方法，該方法以工作頻率的不同作為約束條件，以天線陣列的柵格間距和陣元位置為優化變量，兩個子陣的峰值旁瓣電平為目標函數。首先，對陣元柵格間距設置一個最小和最大間距并以此為約束來確定陣元位置的分布，然后利用模擬退火算法對陣元柵格和陣元的位置分布進行優化，得到目標函數的值并不斷改進，最終生成不同頻率、不同指向的兩個波束。對此進行實驗仿真后發現可以有效降低兩個子陣的峰值旁瓣電平，且兩個子陣的方向圖性能相似。但是該算法中柵格權值的產生會對算法的收斂性產生一定的影響，當某個權值下的解較差時，通過調整陣元位置來優化目標函數的效果也會不太好，并且算法的運行速度也會降低。費曉[17]等人提出了一種新的優化算法——風驅動優化。首先把兩個陣列間相鄰陣元的間距作為約束條件，將兩個子陣方向圖的最高旁瓣電平作為優化目標。在此約束條件下，先確定兩個子陣的陣列單元的初始坐標，然后通過風驅動算法優化兩個子陣的單元坐標位置以此來降低子陣的旁瓣電平。該方法可以靈活控制方向圖的指向，子陣旁瓣電平也較低。

3、存在的問題和工作展望

不管是哪一種優化方法都沒有就子陣間的干擾問題展開敘述，并且對平面陣的研究較少。對研究成果的實際化和裝備化也有待進一步驗證。而且面對復雜任務當前的優化算法表現的不夠高效，因此尋找更高效、更適合實際任務的調度方法是下一步的主要工作。

參考文獻

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