16×16多波束相控陣天線的設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種新型256元的Ka波段圓極化貼片天線陣列。該天線陣具有多波束掃描、掃描范圍廣等特點(diǎn)。利用切比雪夫加權(quán)方式，實(shí)現(xiàn)多種波束的多狀態(tài)掃描。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在中心頻率31GHz處，掃描范圍可達(dá)到±40°，波束寬度可控。
關(guān)鍵詞 相控陣天線；多狀態(tài)掃描；多波束

    目前，相控陣技術(shù)的應(yīng)用在民用雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、環(huán)境與資源技術(shù)、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)以及軍事等領(lǐng)域到了廣泛的使用。隨著雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)種類的增多，要求雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)參數(shù)不斷增加，并提高雷達(dá)電子對(duì)抗能力及目標(biāo)識(shí)別能力，寬帶相控陣?yán)走_(dá)、有源相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)、多波段綜合一體化相控陣?yán)走_(dá)，成為當(dāng)今相控陣技術(shù)發(fā)展的重要方向。大多數(shù)相控陣天線實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都是體積小、重量輕、共形等
問(wèn)題。較少針對(duì)高頻、大功率，尤其是多波束、多狀態(tài)掃描進(jìn)行討論。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀提出一種相控陣天線模型，該模型利用圓極化微帶天線排列成16×16的方形平面陣列，此陣列具有工作頻率高，實(shí)現(xiàn)增益大，掃描范圍廣的特點(diǎn)。

1 加權(quán)方式和相位掃描
1．1 道爾夫-切比雪夫加權(quán)
    在相控陣天線的設(shè)計(jì)中，能降低副瓣電平的遞減分布具有實(shí)際意義。然而副瓣電平和主瓣寬度是矛盾的，能在副瓣電平和主瓣寬度間進(jìn)行最優(yōu)折中的是道爾夫一切比雪夫分布陣。為此，充分利用切比雪夫多項(xiàng)式的有用特性。切比雪夫多項(xiàng)式是如下的二階微分方程的解
   
    則此式的解可寫成
   
    其特性表明當(dāng)m是整數(shù)時(shí)，Tm(x)在|x|<1的范圍內(nèi)是正弦振蕩函數(shù)，然后在|x|>1范圍內(nèi)以雙曲線型上升。如果能使Tm(x)的一段和陣因子相對(duì)應(yīng)，就能得到一個(gè)等副瓣的方向圖。于是利用C語(yǔ)言編程，利用切比雪夫加權(quán)方式計(jì)算出各陣因子的電流幅度，直接加權(quán)。
1．2 相位分布和波束掃描
    如果電流分布是可分離的，此時(shí)陣因子可表示為
   
    其中
   
    這就是說(shuō)αx和αy分別為口徑分布在x方向和y方向的均勻底邊相位。當(dāng)波束掃描進(jìn)行時(shí)，方向和方向的相位差都不為零，此時(shí)在陣列法線方向各單元輻射場(chǎng)不再是同相疊加，而是在偏離法線某一方向θ上由于各單元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移，各單元的輻射場(chǎng)變?yōu)橥喁B加，因而使θ成為最大輻射方向。
    在編程時(shí)考慮了相位分布，使最后的參數(shù)矩陣包含相位因子，直接施之于陣列之上，完成相位的分布和波束的掃描。

2 天線單元設(shè)計(jì)
    該陣列的天線單元采用微帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)在貼片對(duì)角線E進(jìn)行切角實(shí)現(xiàn)圓極化。采用50 Ω同軸探針進(jìn)行饋電，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.1。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，貼片尺寸3．1 mm×3．1 mm，對(duì)角切角為腰長(zhǎng)0．44 mm的等腰三角形，饋電點(diǎn)距圓心0．69mm。如圖2所示，該單元工作頻率31GHz，工作帶寬達(dá)到6．4％。

    圖3是31 GHz處天線單元的二維增益方向圖，由仿真計(jì)算結(jié)果可知，31 GHz處天線單元的增益約為7 dB，3 dB波束寬度為88°。31 GHz處天線單元的軸比曲線如圖4所示。在(-60°，60°)范圍內(nèi)<3 dB。

3 相控陣陣列的設(shè)計(jì)
    采用16×16的方形平面組陣方式，陣元間距為5．28 mm，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)最窄波束情況下，通過(guò)控制輻射單元的饋電實(shí)現(xiàn)可控多種波束多狀態(tài)掃描。本文利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線陣進(jìn)行仿真，采用自定義陣列模式，陣列的相位權(quán)值在幾何文件中一一定義。

4 仿真結(jié)果
4．1 切比雪夫加權(quán)方式加權(quán)
    圖5為陣元達(dá)到256個(gè)的時(shí)候，陣列的單相掃描方向圖。如圖所示，單相掃描角可以達(dá)到40°，此時(shí)增益達(dá)到22 dB，波束寬度為9．36°，副瓣28．6 dB。

    圖6為雙相掃描進(jìn)行時(shí)的方向圖。此時(shí)掃描角為36°×51°，增益基本不變，副瓣降低至40 dB以下，波束寬度達(dá)到8．5°×12．5°。

    為了達(dá)到多波束掃描，得到更寬的波束，在原陣基礎(chǔ)上，利用發(fā)射／接收組件控制陣元饋電，減少陣元，只取8×8的陣列進(jìn)行饋電，間距不變，掃描結(jié)果如圖7所示，掃描角基本不變36°×48°，增益降低，波束寬度展寬至18．7°×26．8°，副瓣升高。

    為了降低副瓣，對(duì)12×12的單元進(jìn)行饋電，間距仍然不變，如圖8所示，此時(shí)的掃描角為36°×51°，增益升高同時(shí)波束寬度達(dá)到12°× 17°，但副瓣可降至40 dB以下。
4．2 與泰勒加權(quán)比較
    等副瓣切比雪夫陣列的輻射特性很好，但其兩端單元的激勵(lì)電流幅度往往比其鄰單元的電流幅度大很多，這就對(duì)陣列的饋電造成困難。本文利用泰勒加權(quán)，得到方向圖只有靠近主瓣的前幾個(gè)副瓣的電平接近相等，隨后的各副瓣電平單調(diào)遞減。這里只對(duì)16×16的陣列進(jìn)行加權(quán)得到掃描角39°，增益達(dá)到23．3 dB，波束寬度8．7°，副瓣20 dB，并沒(méi)有降低副瓣，但是副瓣確實(shí)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    隨著相控陣天線在工程上的應(yīng)用，相控陣技術(shù)成為未來(lái)電子對(duì)抗領(lǐng)域中主要技術(shù)發(fā)展方向，應(yīng)用前景十分廣闊。文中所介紹的設(shè)計(jì)思路，天線陣元結(jié)構(gòu)、天線陣列結(jié)構(gòu)、掃描范圍波束寬度改變等技術(shù)，將會(huì)為以后的設(shè)計(jì)工作提供借鑒。