概要：低空监视相控阵雷达设计过程中，阵面构型选择是首先要面临的问题，在总阵元数量、阵元发射功率基本条件相同的情况下，理论分析了圆柱阵、三面阵、四面阵三种构型的效率差异，并通过仿真分析印证了不同构型下的效率。
关键词：低空监视； 圆柱阵； 构型效率
中图分类号：TN957；TN958
引言
相控阵雷达由于具备波束形成灵活、驻留时间可调、任务可靠性高等优势，一直是低空监视雷达的重要选择[1，2]。由于相控阵雷达扫描角度的限制，为实现全方位360度探测，可以有三面阵（单面覆盖120度）、四面阵（单面覆盖90度）、圆柱阵等多个选择。前期各国开发的相控阵体制雷达也是选择不一[3]。
针对这个问题，本文从孔径效率指标出发，对三种构型的雷达能力进行了分析比较。
1 理论分析
（1）
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式中，Pt是发射峰值功率；是发射脉冲宽度；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；σ是目标散射截面积；λ是雷达工作波长；K是玻尔兹曼常数（K=1.38×10-23J/k）；TS是系统噪声温度；D1是积累检测因子；CB是带宽失配因子；Ls是系统处理损耗。仅针对不同构型的差别，在相同发射功率前提下，上式简化成： 则有：
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（5）
2.1 圆柱阵与四面阵比较
根据投影效率
图1. 1/4圆柱阵投影示意
因此：
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补偿系数计算，为达到相同的作用距离，有
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（13）
上述推论为理想连续状态下得到，实际工作中波束指向离散性分布，根据波束波位分析，在法线方向由于波束窄，波束排布较密；大角度扫描后波束宽，相应波束排布稀疏。采用均方根函数进行补偿，后得：
（14）
图2.四面阵与圆柱阵波位排布对比
2.2 圆阵面与三面阵比较
根据投影效率
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图1. 1/3圆柱阵投影示意
对于三面阵：
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（19）
（20）
上述推论为理想连续状态下得到，实际工作中波束指向离散性分布，根据波束波位分析，在法线方向由于波束窄，波束排布较密；大角度扫描后波束宽，相应波束排布稀疏。采用均方根函数进行补偿，后得：
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（21）
图4.三面阵与圆柱阵波位排布对比
2 仿真比较
不失一般性，假定三种阵面构型高度相同，单元数量相同，单元间距相同。四面阵每个阵面单元数36，三面阵每个阵面单元数48，圆柱阵总单元数144（若阵面取1/4圆柱阵，工作单元单数为36；若阵面取1/3圆柱阵，工作单元单数为48）。
图5. 四面阵与1/4圆柱阵俯视对比图
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图6. 三面阵与1/3圆柱阵俯视对比图
根据相控阵雷达工作原理，扫描角度越大，增益下降越多，天线增益与扫描角度的余弦成正比；同时根据雷达基本方程，为实现雷达探测的各向均一性，靠增加驻留时间弥补增益下降带来的损失。由于圆阵各向均一，其各扫描角度下驻留时间一致，而面阵随着扫描角度的增加，驻留时间要相应提升。
3.1圆柱阵与四面阵比较
四面阵由于扫描45度后增益与法线相比下降1.5dB，其扫描45度时的驻留时间要提升至法线方向驻留时间的二倍。
表1四面阵圆柱阵覆盖0~45度所需波位对比表
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为达到相同的作用距离，四面阵与圆柱阵需要驻留时间相当。考虑边缘波位3dB覆盖；圆柱阵扫描覆盖区域为48.8度，四面阵覆盖区域为47.975度，归一化后圆柱阵为37.54度/秒，四面阵为37.50度/秒，与理论分析结果吻合。
3.2 圆柱阵与三面阵比较
以三面阵为例，由于扫描60度后增益与法线相比下降3dB，其扫描60度时的驻留时间要提升至法线方向驻留时间的四倍。
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图8.圆柱阵与三面阵不同扫描角度下积累时间对比
考虑雷达基本方程，在相同的天线方向图损失前提下分别排布圆柱阵与三面阵波位。
表3三面阵圆柱阵覆盖0~60度所需波位对比表
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假定圆柱阵单波位驻留时间为0.1秒，则根据上面分析，为实现各向探测距离均一，三面阵单波位驻留时间不固定，具体计算结果如下表。
表4三面阵覆盖0~60度所需波位驻留时间表
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为达到相同的作用距离，圆柱阵与三面阵总的驻留时间基本一致；考虑边缘波位3dB覆盖；考虑到圆柱阵扫描覆盖区域为62.41度，三面阵覆盖区域为60.315度，归一化后圆柱阵为30.774度/秒，三面阵为29.997度/秒，与圆柱阵相比，三面阵效率为97%，与理论分析结果吻合。
3 结束语
本文通过理论分析与仿真计算，证明圆柱阵效率略高，工程实现上为选择合适的构型，需要进一步结合副瓣要求、机动性要求等综合考虑。
参考文献
[1]李菠,孟立凡,李晶. 低空慢速小目标探测与定位技术研究[J].中国测试,2016,42(12):64-69
[2] 张志鹏，苏中.拦截低慢小目标的指控系统建模与仿真[J].系统仿真学报, 2018,30(11):4340-4347
[3]周豪,胡国平,师俊朋. 低空目标探测技术分析与展望[J]. 火力与指挥控制,2015,5(11):5-9
作者介绍
王健，男，1980年12月生，黑龙江省哈尔滨人，安徽四创电子股份有限公司副总经理，研究方向：雷达总体设计