（电磁场与微波技术专业论文）宽带宽波束二维相控阵天线单元的研究.pdf

安徽大学硕士毕业论文 摘要 随着电子对抗技术的发展和对外空间目标的探测及跟踪需要，二维丰【j 控阵天 线系统成为新的研究目标。相控阵天线有常规阵列天线所不具备的特点：快速、 无惯性的扫描能力，快速波束赋形能力等。 本文根据相控阵天线工作原理及特点，住众多天线形式当中，选抒了种宽 带宽波束的微带贴片u 形微带贴片天线作为二维宽角扫描相控阵系统的阵列 单元。具体做了以下几方面的工作： ( i ) 分析了相控阵天线工作原理，及其对天线单元的性能和结构尺寸的要求， 为后面二维宽角相控阵天线的单元形式选择提供了理论依据。 ( 2 ) 具体分析了影响微带贴片天线的带宽和辐射波束宽度的因素，选择了一 种u 形微带贴片天线作为二维宽角扫描相控阵天线的单元。 ( 3 ) 应用腔模理论和模匹配方法分析了该u 形微带贴片天线的宽波束特性，理 论结果较好地符合了设计指标。并给出了基于有限元法的仿真结果，说明了所用 设计的可行性。 ( 4 ) 在远场暗室测试了该u 形微带贴片天线单元的辐射特性，给出了实测方向 图，波束宽度在e 面和h 面都达到1 1 0 。；天线工作带宽超过2 0 ( v s w r 1 5 ) ，说 明了该天线结构的可实用性。 关键词：宽带，宽波束，相控阵，宽角扫描，贴片天线，u 形贴片，腔模理论， 模匹配理论 安徽大学硕士毕业论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fe l e c t r o n w a r f a r ea n dt h en e e d o ft h e e x p l o r a t i o na n dt r a c kf o ro b j e c t si no u t e rs p a c e ，t h et w o d i m e n s i o n a ls y s t e mo f p h a s e da r r a ya n t e n n a s ( p a a ) h a sb e c a m eo n eo ft h en e wr e s e a r c hs u b j e c t s t h e f e a t u r e sh e l db yp a aa r ef a s ts c a n n i n ga n db e a md e f l e c t i o n ，w h i c ha r en o tp r o v i d e d w i t ho t h e r 订a d i t i o n a la n t e n n a s b a s e do nt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fn 认au - s h a p e dm i c r o - s t r i p p a t c ha n t e n n a ( m p a ) i sc h o s e nf r o mt h ed i f f e r e n tk i n d so fa n t e n n a s t h em i c r o - s t r i p p a t c ha n t e i n l ai su s e da st h ep h a s ee l e m e n to f at w o - d i m e n s i o n a ls y s t e mo f w i d ea n g l e s c a n n i n gp a a s o m er e s e a r c hw o r k sh a v e b e e ns t u d i e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ep r i n c i p l e so fp a a i sa n a l y z e d , i na d d i t i o n , t h ef u n c t i o na n dt h es i z eo f e l e m e n ta r ed i s c u s s e d t h e s ea b o v ep r o v i d et h et h e o r i e sf o rt h ec h o i c eo f t h ee l e m e n t f o rat w o - d i m e n s i o n a is y s t e mo f w i d ea n g l es c a n n i n gp a a ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eb a n d w i d t ha n dt h eb e a m w i d t ho f m p a , au s h a p e dm i c r o s l r i pp a t c ha n t e n n ai ss e l e c t e d a st h ee l e m e n tf o ra t w o d i m e n s i o n a ls y s t e mo f w i d ea n g l es c a n n i n gp a a ( 3 ) w i t ht h ea i do ft h ec a v i t ym o d e lm e t h o da n dm o d e l - m a t c h i n gm e t h o dt h e f e a t u r eo fw i d e - b e a mf o rt h eu s h a p e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai sr e s e a r c h e d a sa r e s u r ，t h es e m i - a n a l y t i cs o l u t i o n sh a v eag o o da g r e e m e n tw i t ht h ep a r a m e t e r so ft h e d e s i g n t h en u m e r i c a lr e s u l t sc o m p u t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da l s ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n ( 4 ) t h er a d i a t i o no ft h eu s h a p e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai se x p e r i m e n t e da ta f a r - f i e l dd a r k r o o m f u r t h e r m o r e ，t h er a d i a t i o np a t t e mi sg i v e n t h em e a s u r e dd a t u m s h o wt h a tt h eb e a m w i d t ho fb o t he p l a n ea n dh p l a n er e a c h1 1 0 。，m o r e o v e r , t h e b a n d w i d t ho ft h ea n t e n n ai sw i d e rt h a n2 0 ( v s w r 1 5 ) ，w h i c ht e s t i f yt h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h ea n t e n n a 2 安徽大学硕士毕业论文 k e yw o r d s ：w i d e - b a n d ，w i d e b e a m ，p h a s e da r r a ya n t e n n a s ，w i d ea n g l es c a n n i n g ， p a t c ha n t e n n a ，u s h a p ep a t c h ，c a v i t ym o d e lm e t h o d ，m o d e lm a t c h i n gm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：球、】、 签字日期：勘形多年印月2 d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解7 乏受 有关保留、使用学位论文的规定， v 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 溯文作槲：芥小锄始鲰啄 签字日期：铆i 年钾月2 。日 签字日期： 【眵6 年y 月妒日 粼文作者糍向施们纠心分 工作单位：电话：巧 ，了7i ) 通讯地址：耐嘶裔尚铴巳磊镌犬盗，卵考6 编：2 孓彬 安徽大学硕士毕业论文 1 1 研究背景及现状 第一章绪论 1 1 1 相控阵天线的发展 一切无线电通信、广播、雷达导航等工程系统都是利用无线电破进行工作的， 而无线电波的发射与接收则依靠天线来完成，天线即是一种空间滤波器，也是空 间电磁波和电路信号的转换器。无线电技术诞生百年以来，天线技术得到迅猛发 展，并日趋成熟。由小型天线单元到大型阵列天线，由机械扫描天线阵列到高速 扫描的电扫描天线阵。 阵列天线机械扫描时速度有限制，尤其是大型天线更为困难。为了使天线的 扫描速度加快，电扫描技术得到了快速的发展。相控阵天线，以及其他型式的电 扫描天线的出现和应用，使雷达技术的面貌为之一新。常见的介质电扫描方式有： 时延扫描、频率扫描、相位扫描等。 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，其基本原理基于阵列天线的分析1 1 l 。 相控阵天线的波束扫描由计算机控制天线单元的初始相位，从而控制阵列天线的 波前位置而达到波束扫描的目的，因而不存在惯性问题，具有扫描速度快和波束 赋形快等常规天线所不具备的优点，具有很大的灵活性。目前，有源、无源相控 阵天线都得到了普遍的应用，涉及几乎所有的天线应用领域，频率范围涵盖米波 到毫米波波段。 1 1 2 微带天线的研究进展 微带辐射器的概念首先是d e s e h a m p s t l ，在1 9 5 3 年就提出来了。但过了二 十年，当较好的理论模型及对敷铜等介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线 才制造出来。这种基片的介电常数范围较宽，具有良好的吸热特性和机械特性及 低损耗角正切。最早的实用微带天线是h o w e l l 和m u n s o n 在二十世纪七十年代 初期研制成的。之后，由于微带天线的许多优点，例如重量轻、体积小、成本低、 安徽大学硕士毕业论文 平面结构、可以和集成电路兼容、易于共形等，使其得到了广泛的研究和发展， 并且获得了多种应用，从而在微波天线这个广阔的领域里，作为一个分立的整体 而建立了自己的课题。目前，已研制成了各种类型平面结构的印制天线，例如， 微带天线、微带缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。 早期的微带天线具有频带窄、极化纯度差、寄生馈电幅度大、功率容量有限 等缺点，因而，为满足天线系统对单元愈来愈苛刻的要求，以使微带天线的应用 前景变得更为广泛，其研究工作主要围绕克服这些缺点展开。当今对于微带天线 技术的研究主要集中在： c o j 型化、宽带设计。这是近来微带天线领域研究最多的，也是本文讨论 主题的一部分。 ( 2 ) 多极化。极化特性在天线应用中有众多优点，比如目标识别和抗干扰方 面的应用。国内外有大量的文献讨论了单个微带天线单元实现双极化、多极化、 变极化等技术。 ( 3 ) 多频段。g s m 等通讯系统要求终端能够工作于多个频段上。这就要求设 计出多频段工作的微带天线。 ( 4 ) 分形微带天线b 2 1 ”i 。超宽带天线( 即频率无选择性天线) 是近来研究的 热点。分形技术应用于天线设计，可以实现天线超宽带性能。 ( 5 ) 光子带隙p b g ( p h o t o n i eb a n d g a ps t r u c t u r e ) 技术应用于微带天线设计1 。 今年来国际上不断有文献报道p b g 的研究工作。p b g 应用于微带天线设计，可 以有效减小高介电常数厚基板带来的表面波，改善天线效率和方向图前后比，也 可提高天线带宽。因此p b g 技术是一种很有前途的技术。 1 2 论文结构及章节安排 本论文是结合工程要求对相控阵天线单元进行研究探讨，选择了u 型微带 天线作为研究且标展开工作，各章节内容安排如下： 第一章简单介绍了相控阵天线系统及微带天线的特点及其历史发展与概况。 第二章详细阐述了相控阵天线系统及其工作原理，讨论了相控阵天线对其阵 2 安徽大学硕士毕业论文 列单元的结构尺寸及工作性能的要求，为下一步天线单元形式的选择提供了理论 依据。 第三章根据第二章的理论分析选择了二维宽带宽波束相控阵天线单元形式 u 型微带贴片天线，具体给出了微带天线带宽与波束宽度展宽的理论分析及 方法。 第四章利用腔模理论及模匹配理论分析了u 型微带天线的辐射特性，并给 出了有限元法理论结果，验证了设计的可行性。 第五章给出了相控阵天线单元的测试结果。测试结果与理论结果吻合，证实 了该天线单元结构的宽度宽波束特性。 【参考文献】 【1 】张光义，相控阵天线雷达系统，北京：国防工业出版社，1 9 9 6 2 】蒋庆全有源相控阵雷达技术发展趋势 【3 】方耀义，相控阵雷达天线浅析，鹭江大学学报，1 9 9 7 年第2 期p p ：4 5 5 1 4 】r o b e r tj m a i l l o u x p h a s e da r r a yt h e o r ya n dt e c h n o l o g y p r o c e e d i n g s o f t e c h i e e e ，v 0 1 7 0 ，n o 3 ，m a r c h1 9 8 2 p p ：2 4 6 3 0 2 【5 】r j m a i l l o u x ，p h a s e da r r a ya n t e n n ah a n d b o o k n o r w o o d ，m a a r t e c hh o u s e ， 1 9 9 4 ，p 2 7 5 【6 】6 钟顺时，微带天线理论与应用西安电子科技大学出版社，1 9 9 1 【7 】y o n g - x i ng u o ，k w a i - m a nl u k ，k a i f o n gl e ea n dp i c k yc h a i r ，aq u a r t e r - w a v e u s h a p ep a t c ha n t e n n aw i t ht w ou n e q u a la r i n $ f o rw i d e - b a n da n dd u a l f r e q u e n c y o p e r a t i o n , ”i e e et r a n s a p v 0 1 5 0 ，n o 8 ，p p ：1 0 8 2 1 0 8 7 ，a u g 2 0 0 2 8 】h f p u e sa n da r v a nd ec a p e l l e ， a ni m p e d a n c em a t c h i n gt e c h n i q u ef o r i n c r e a s i n g t h eb a n d w i d t ho fm i c m s t r i pa n t e m m s ，”i e e et r a m a p v 0 1 3 7 ， p p ：1 3 4 5 1 3 5 4 ，n o v 1 9 8 7 【9 】9 t h u y n ha n dk e l e e ，s i n g l e l a y e rs i n g l e p a t c hw i d e b a n dm i c r o - s t r i pa n t e n n a , e l e c t r o n l e t t v 0 1 3 1 ，n o 1 6 ，p p ：1 3 1 0 - 1 3 1 2 ，a u g 1 9 9 5 【1 0 】y x g u o ，k m l u l 【，a n dk e l e e ，“d o u b l eu s l o tr e c t a n g u l a rp a t c ha n t e n n a ，” 安徽大学硕士毕业论文 11 r a m e s hg r a g ，p b h a r t i a ，i n d e rb a h l ，a p i s a ki t t i i b o n ，“m i c r o s t r i pa n t e n n a d e s i g nh a n d b o o k ”，a r t e c hh o u s e ，2 0 0 1 【1 2 刘英，龚书喜，傅德民，“用于多频通信的微带分形贴片天线“，微波学 报2 0 0 1 年，第1 7 期，p p ：7 6 - 7 9 1 3 刘英，龚书喜，傅德民，“分形天线研究进展”，电波科学学报，2 0 0 2 年， 第1 7 期，p p ：5 4 5 8 1 4 】杨建军，“p b g 技术在微波电路中的应用研究”( 硕士学位论文) ，成都电予 科技大学，2 0 0 2 4 安徽大学硕士毕业论文 第二章相控阵天线理论 相控阵是近年来丑：在迅速发展的天线新技术，它与其它形式的电扫描天线的 出现和应用，使天线技术的面貌为之一新。相控阵技术提高了天线在恶劣电磁环 境下对付快速、机动隐身目标的能力，是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、 高速计算机、先进固态器件等电子技术为一体的高新技术产物。它是将脉冲多普 勒、单脉冲、咏冲压缩及捷变频等多种天线体制集于一体的一种新犁天线系统。 该新型天线充分展示出现代科技的发展水平，并以其显著的技术特点及难以估量 的潜在优势为现代天线系统的发展开辟一种新的途径，成为现代天线发展的主 流。对雷达目标进行分类与识别，是先进的现代天线系统所面临的技术难题，对 目标进行微波成像，尤其是多目标微波成像，亦是现代雷达天线的一个重要需求。 只有相控阵天线方能满足雷达天线的探测距离、数据更新率、多目标跟踪及测量 精度等众多需要。 相控阵技术是由不同军事用途中发展起来的，而今商业上对其需求的增加使 相控阵也涉足到这一领域。随着更多的尖端雷达和通讯对方向图灵活控制的要 求，相控阵技术将显得更为重要。这种需求在军事系统中显得尤为突出，近来商 业上对车载雷达、通信、无线通信系统和商用卫星通信的需求激发了人们对能满 足这些新需求的实用低成本扫描阵的兴趣。 相控阵天线更具有扫描速度快、波瓣控制灵活等优点，它的特殊多功能( 如 同时对空搜索、识别和跟踪等) 以及大功率、高数据率和抵抗有害环境条件的能 力，大大促进了相控阵天线的研究、设计及部署。 现代雷达、通信和射电天文学对于能高速扫描同时又能多功能工作的大口径 天线的需要正在不断增加。具有独立相位控制辐射阵元的阵列相控阵天线可 以提供这样的功能，满足了现代雷达和通信技术越来越高的要求，从而得到了广 泛的采用。 为了满足国防建设与经济建设的发展，不同用途的天线逐渐地转为采用相控 阵技术。多功能相控阵天线特别是多功能有源相控阵天线已成为当今天线系统发 展的主流。 安徽大学硕士毕业论文 2 1 相控阵天线系统的基本组成 相控阵天线与机械扫描天线一样，其发射分系统和接收分系统仍然是两个 基本分系统。发射分系统包括发射天线阵、发射馈电系统( 即发射波束形成网络) 、 发射信号产生及功率放大部分，接收分系统包括接收天线阵、接收机前端、接收 波束形成网络、多路接收机、信号处理机及终端设备。 图2 1 1 是一种较典型的相控阵天线系统方框图。完成不同任务用的各种 相控阵天线的方框图虽然有所差别，但基本组成部分仍是一致的。 图2 1 一i 相控阵天线系统基本组成 相控阵天线，可以是收发分开，也可以是收发合一的。图2 1 1 所示为收 发合一的相控阵天线系统。 近年来发展起来的数字波束形成( d b f ) 技术将接收天线的波束形成与信号 处理结合一起，从而可对时域和空域进行两维信号处理，天线波束副瓣的自适应 控制等皆可实现，结果使得有源相控阵雷达的自适应性工作方式更为灵活。 数字波束形成( d b f ) 是指通过数字的方法实现天线发射和接收波束，它通 过在基带数字终端运用数字信号处理技术形成灵活的发射和接收波束输出。它使 系统具备了自适应能力，能够较好地实现空间滤波和自适应抗干扰。d b f 技术较 之射频和中频波束形成具有以下优点：可同时产生多个独立可控的波束而不损失 信噪比；波束特性由权矢量控制，灵活可变；扫描波束的形状和波束指向可通过 6 安徽大学硕士毕业论文 对移相器进行控制，并可随距离单元不同而灵活改变；减少了波束驻留时间，可 实现较高的数据率；采用d b f 的天线具有较好的自校正和低副瓣能力；更为重要 的是，由于在基带上保留了天线阵单元信号的全部信息，可以采用先进的数字信 号处理理论和方法，对阵列信号进行处理以获得波束的优良性能。 将d b f 技术与相控阵技术结合，充分发挥了二者的优点，能够满足天线系统 的综合要求，特别适合现代战场复杂电磁环境下多任务、多用途的相控阵天线系 统设计。 2 2 相控阵天线的技术特点 相控阵天线采用由多个小型天线单元( 辐射器) 组成的阵列天线，每一个 天线单元带有一个移相器或由移相器和衰减器构成的幅相调节器。它们受计算机 控制，可高速改变天线口径的照射函数。对于有源相控阵天线，每个单元除移相 器和衰减器外，还包括发射信号的功率放大器( 肿a ) 和接收信号的低噪声放大 器( l n a ) 等电路。这使相控阵天线具有常规机械扫描天线所没有的若干技术特 点： ( 1 ) 天线波束的快速扫描能力：天线波速位置的转换可在微秒时间内完成， 天线波束扫描可以看成是无惯性的，这使天线不仅具有快速响应时间、高数据采 样率、多批目标跟踪能力、实现边搜索边跟踪工作方式，还可使天线固定，去掉 天线的伺服驱动系统。建设大型或巨型天线。这有利于获得特大的p a y a r 。 这对实现低可探测目标( 包括隐身目标) 的检测具有重要意义。 ( 2 ) 天线波束形状的快速变化能力：按天线方向图综合理论，在计算机控制 下通过改变相控阵天线中每个单元上信号的幅度和相位分布，可高速改变天线波 束的形状( 波束宽度、副瓣位置、副瓣电平、天线副瓣凹口的数目与位置) 。使 相控阵天线具有许多工作的灵活性和适应能力。这对协调天线搜索工作方式和跟 踪工作方式的不同要求，合理调配使用天线信号能量，提高天线抗干扰能力等有 重要作用。 ( 3 ) 空间定向与空域滤波能力：相控阵天线中，由于相邻天线单元或子阵天 线接收信号之间的相位差即含有目标( 或辐射源) 的角位置信息，因此，提取出 这一相位误差，即可实现目标的空问定向。与对时间序列信号进行频域滤波一样， 7 安徽大学硕士毕业论文 对从相控阵天线中多个天线单元上接收到的空间信号序列，可以进行空域滤波。 这使得相控阵天线可以同时进行空间一时间二维信号处理。这原理正被广泛应 用予机载雷达天线抑制强地面杂波及提高雷达天线的抗干扰能力。 ( 4 ) 空间功率合成能力：在每一个天线单元上设置一个功率放大器或锁帽振 荡器，只要维持它们的输出信号相位的相关性及要求的幅度分布，它们就可在空 间实现功率合成。这一特点使相控阵天线在单部发射机功率有限的情况下也能获 得要求的特大功率。它使微波电真空功率器件在解决要求的特高功率问题上有了 更大的灵活性，同时也是微波半导体功率器件发展的一个主要的推动因素。 ( 5 ) 天线与载体平台共形的能力：有源相控阵天线可设计成与载体平台共 形，即将阵列天线安装在具有各种复杂外形的雷达平台的表面上，形成“智能蒙 皮”( s m a a - s k i n ) ，这不仅可消除吊舱、天线整流罩等影响飞行气动力学性能的 不利因素，还可扩大雷达天线的孔径面积，提高雷达的多项性能。在实现共形有 源相控阵天线中，光电子集成与光纤技术及高速信号处理方法有重要作用。 ( 6 ) 多波束形成能力：利用同一个相控阵天线口径可获得多个天线波束，实 现全空域覆盖，这与蜻蜒等昆虫具有复眼一样。且与其他天线相比，相控阵天线 多波束具有独立、快速扫描能力。这一技术特点将会给天线性能的提高带来巨大 的潜力。 2 3 相控阵天线的工作原理 由于相控阵天线采用电控制其单元相位，改变单元的初始相位可以改变波 束指向，达到快速扫描的目的，从而具快速有无惯性的优点，因而得到广泛应用。 图2 3 - 1 相控阵天线工作原理图 8 安徽大学硕士毕业论文 其工作原理如图2 3 一l 所示。 改变天线单元的相位，可以改变单元的波前位置，从而改变了相控阵的等相 位面位胃。当所有阵列单元的等相位面在实线位置时，天线阵的波束指向沿其法 线方向，设此时第0 个天线单元的初始相位为。要使相控阵天线的波前位置改 变口角到虚线位置，则第i 个天线单元的相位： 仍= 纯+ f 娑d s i n o 几 此时相控阵天线的玻束指向如图中虚线所示。 所以，只需改变相控阵天线单元的初始相位，即可改变天线阵的波束指向， 进行高速无惯性的波束扫描。这一优点是机械扫描及频率扫描天线所无法比拟 的。 2 4 相控阵天线对单元的要求 相控阵天线可以在微秒级的时间内，把原来向某方向对准的波瓣转变而投射 到另一方向。它不像普通天线那样，需要转动天线或馈源而改变波瓣指向，也不 像频率扫描天线那样，为了改变波瓣指向，需要改变工作频率。相控阵天线能够 这样极其迅速地改变波瓣指向，关键在于相控阵天线的每个天线单元的相位，由 接在天线单元后面的可控电子移相器来控制。这是无机械惯性的电控制，当然比 机械转动快得多。每个移相器所应该移的相位，由电子计算机算好，自动操纵移 相器来实现。 一个有限尺寸相控阵天线的辐射方向图可表示为阵因子和阵元辐射图的乘 积。阵因子确定了阵列辐射图的波束形状和旁瓣电平，并且还使阵列的几何形状 和控制相位与波束指向的方向余弦联系起来。阵因子、控制相位和波束方向余弦 之间特殊的函数关系适于用方便的图解表示，通常称之为栅辨图。 以一维线阵为例： 图2 4 一l 所示一个n 单元的线阵。每一个天线单元所辐射的电场强度与其 激励电流成正比，第f 个单元距远区目标的距离为n ，f = o ，l ，2 ，一1 。设第i 个 天线单元的激励电流为q ，具有相位f 九，方向图函数以，( 曰，妒) 表示。这样，第 9 安徽大学硕士毕业论文 f 个单元在远区目标处产生的电场强度e 可表示为 一j 孥 e ，= k ，a ，( 目，妒) 二 口 o 式中，k ，为第f 个单元辐射场强的比例常数，厶是天线的工作波长。 ( 2 4 1 ) 对于线性传播媒质，电磁场方程是线性方程，可以应用叠加定律。因此，远 区观察点p 处的总场强e 可以认为是线阵中n 个单元在p 点产生的辐射场强的 叠加，故得 型必p 一7 了 e = e = 置一e 叫嘞，p ，妒) ( 2 4 2 ) 抚 五 目标方向 n 。 可 影 ! 靴。二誓专 + l 指向 图2 4 一l 线性相控阵天线 0 一目标角度；以一波束指向角 式中九是由移相器提供各单元之间的相移差。若各单元是相似元，即 各天线单元是同样形状的，单元方向图一致，比例系数k 。一致，则式( 2 4 2 ) 可表示为 e = k 、n - i f ( 0 ( p ) e a 翌 2 ，。t e - j a # s _ e j = uj ( 2 4 3 ) 1 0 安徽大学硕士毕业论文 由图2 4 1 可看出= r o i d s i n 0 。式( 2 4 - 3 ) 中，分母中可以用r o 代替。则 e ：k 擘- - - r o ，妒) c l ，e f ( o n - i 川和九j e ：k l 二，p 一川“6 九 面 ( 2 4 4 ) 不考虑幅度和相位的常数项： e ( o ，伊) ：f ( o ，妒) n - i 口。p 川莩d s i n o - a e ) ：f ( o ，妒) f ( 目，妒) ( 2 4 5 ) 这里，式( 2 4 5 ) 右边部分的f ( o ，妒) 是天线单冗的方向图，f ( o ，妒) 为阵列 因子。 2 4 1 相控阵天线对单元尺寸的要求 由式( 2 4 5 ) ，线阵阵因子函数f ( o ，妒) 为 f ( o ，力；f ( d ：己q p j r ( 争m 口蝴) 叫：孥d s i n 0 九= 等纰以 式中，p 目标所在角度： 西来自目标的回波在相邻单元之间的相位差； 式中 ( 2 4 6 ) ( 2 4 - 7 ) 以天线波束的最大指向； 九使天线波束最大值在如方向所需的各单元之间的相移差，它由 各单元的移相器提供。 对均匀口径分布的照射情况( 口，= 1 ) ，由式( 2 4 - 6 ) 得f ( o ) 为 删) = 蔷 x = 妒她= 等撕i n 0 8 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 1 1 安徽大学硕士毕业论文 而 i m ：e j 忑n l ”一e 避j = 2 j e j js i n ( n l - e ( e - j 3 - 2i n n nj = e i 忑i1 一e i 1 i 、 故，由( 2 4 8 ) 可得： f ( 口) = 上p 。2 s l n i r ，坐， s i l l 2 取绝对值，得线阵得幅度方向图为 l f p l = ( 2 4 - 1 0 ) ( 2 4 - 1 1 ) ( 2 4 - 1 2 ) 显然上式在咖主= o 时取得极大值。当咖主= o 时 2 z c d ( s i n 0 一s i n a b ) = 肌2 7 ，棚= o ，l ，2 ( 2 舢1 3 ) 此时 i ，( 口) l = l i m = 熟智圳 ( 2 4 - 1 4 ) 上式表明，l f p m 在善一2 a r e d 、- s i n 口s i n o 。) = 聊2 万处都能取得最大值，亦即阵列 方向图除在华d ( s i n 0 一s i n 以) ：o 外，在车d ( s i n 0 一s i n 0 口) ：删2 万( 肼o ) 处 也出现了波瓣最大值，即出现了栅瓣。设： 2 n d 、 s i n o 一s i n o 口) ：m 2 丌 即 s i n o = 掣+ s i n 0 b ( 2 4 1 5 ) 当波束扫描至最大角时，吼= 疗矗因为l s i n 以l s l ，所以有 了m a 尚in l l 了m 2 “n 如i 故出现栅瓣得条件即为满足下列不等式的条件 安徽大学硕士毕业论文 d # 竺生1( 2 4 1 6 ) 1 + i s i n 8 。l 、 因此，为了不出现栅瓣，必须满足 狄南( 2 4 - 1 7 ) 1 + l s i n 臼i 例如，当要求l 氏。i = 6 0 0 得到 d o 5 3 2 ( 2 4 1 8 ) 式( 2 4 - 1 8 ) 对天线单元间距即对单元结构的尺寸做出了限制。对于宽波束的相控 阵天线单元，则需要更小的单元尺寸结构。 2 4 2 相控阵天线对单元波束宽度的要求 根据式( 2 4 5 ) ，阵列天线的方向图函数由单元因子，够，妒) 与阵因子，妒) 的 乘积。g - n 子可以看成是无方向性元构成的阵列辐射图，而单元因子则表示远区 场的矢量性质，例如极化与方向。这一节我们以增益出发点讨论相控阵天线对单 元因子f ( o ，妒) 的要求。 对平面相控阵天线，天线增益 gc口，妒，=归c见妒，。叮_】_11 g 4 - 1 9 ， 令 c = 百i 娑 一 ( 2 4 - 2 0 f ”肛( 口，妒m 2s i i l 甜卿 、 故得阵列天线增益 g ( o ，p ) = c l e ，妒) 1 2 = c | 厂( 日，妒1 2 i f ( 口，妒) 1 2 ( 2 4 - 2 1 ) 由上式可看出天线单元对阵列的调制作用，如图2 4 - - 2 所示。当主波束( 下虚 线) 扫描时，随着扫描角度的不同，其增益也在i ( 口，伊) 1 2 限制范围( 上虚线) 安徽大学硕士毕业论文 图2 4 2 扫描波瓣随单元调制原理图 虚线；单元波瓣图，实线：阵列波瓣扫描图 内改变。当波束扫描至单元增益降至一3 d b 的角度p z ，其增益将减小一3 d b 。 因此，对于大范围扫描的相控阵天线，需要单元波束宽度要尽可能的宽。但从图 2 4 3 也可以看出，单元波束太宽不利于副瓣及栅瓣的抑制；同时，宽波束会导 致增益降低，故而不可一味追求宽波束，要视实际使用需要而定。本文着重研究 宽波束相控阵宽角扫描，故天线单元应具有宽的波瓣要求。 0 幅- 1 0 度 ，曲 啦 嘲o w n d ，度 图2 4 3 单元因子对阵列栅瓣的抑制原理图实线：各项同性阵元的阵列波 瓣图，虚线：单元波瓣图( 上) ，具有定向天线单元的阵列波瓣图( 下) 根据上述分析，作为二维宽角扫描的相控阵天线的阵列单元，需要天线波瓣 在e 面和h 面同时具有宽波束特性和小尺寸结构。下面我们据此选择作为二维 宽角扫描的相控阵天线的单元结构形式。 1 4 耋墼奎兰婴主兰兰竺丝苎 【参考文献】 1 张光义，相控阵天线雷达系统，北京：国防工业出版社，1 9 9 6 【2 】r o b e r tj m a i l l o u x p h a s e da r r a yt h e o r ya n dt e c h n o l o g y p r o c e e d i n g so f t e c h i e e e ，v 0 1 7 0 ，n o 3 ，m a r c h1 9 8 2p p ：2 4 6 3 0 2 【3 】j m a i l l o u x ，p h a s e da r r a ya n t e n n ah a n d b o o k n o r w o o d ，m a ： a r t e c hh o u s e ，19 9 4 ，p 2 7 5 【4 】蒋庆全有源相控阵雷达技术发展趋势 现代雷达2 0 0 0 年8 月第4 期p p ：7 - - 1 3 5 】郭燕昌，相控阵和频率扫描天线原理，国防工业出版社 【6 】n 舸米特，相控阵天线理论与分析，国防工业出版社 【刀程臻等，相位控制相控阵天线方向图，电子与信息学报， v 0 1 2 3 n o 3m a r c h 2 0 0 1p p ：2 8 6 2 9 1 8 】方耀义，相控阵雷达天线浅析，鹭江大学学报，1 9 9 7 年第2 期p p ：4 5 - 5 1 9 】c r o t h e n b e r ga n dl s e h w a r t z r n a n p h a s e da r r a ys i g n a lb a n d w i d t ha m ， m a r q u i s - e n v o yr o o m sp p ：11 6 - 1 2 3 1 0 】d h s c h a u b e r t ，“w i d e b a n dp h a s e da r r a y so f v i v a l d in o t c ha n t e n n a s ，”i np r o c 1 0 t hi n s t e l e c t e n g i m c o n f a n t e n n a sp r o p a g a t ，e d i n b u r g h ，u k ，a p r 1 9 9 7 ， p p 6 _ 1 2 。 【1 1 】 ll s o u t h a h ，j a s i m m e r s ，a n dt h o d o n n e l l ，“d i r e c t i o nf i n d i n gi np h a s e d a r r a y sw i t ha n e u r a ln e t w o r kb e a m f o r m e r ，”i e e et r a n s a n t e n n a s p r o p a g a t ，v 0 1 4 3 ，p 1 3 6 9 ，d e c 1 9 9 5 【1 2 】m d d e s h p a n d ea n dm c b a n e y ， a n a l y s i so f f i n i t ep h a s e da r r a y so f c i r c u l a rm i c r o s t r i p p a t c h e s ，”i e e et r a n s a n t e n n a sp r o p a g a t ，v o t 3 7 ，p p 1 3 5 5 - 1 3 6 0 ，n o v 1 9 8 9 1 5 安徽大学硕士毕业论文 第三章相控阵天线单元的选择 如前一章所逊，由于相控阵波束扫描的特点，对相控阵天线所选择的单元结 构做出了限制。适合做相控阵天线单元类型有波导缝隙天线、同轴偶极子天线及 微带天线等。 3 1 波导天线 波导天线由于其结构简洁规则，易于分析它的内部场结构，从而便于控制口 径分布。波导天线中广泛用于相控阵天线中的有开口波导天线和波导缝隙天线。 波导缝隙天线阵具有辐射效率高、旁瓣低、体积小、重量轻、结构紧凑等特 点。这种天线的尺寸与波导的尺寸相同，适宜于装在飞机、导弹等飞行器上。合 理选择缝隙电压之间的相位差，能控制天线主波束的指向，因而特别适合用于相 控阵天线。所以现代的一些单脉冲、相控阵、多普勒导航等高质量雷达中，都选 用了波导缝隙阵列的形式。但是，波导缝隙天线只适合用作一维宽角扫描相控 阵单元。 开口波导可作为二维宽角扫描相控阵天线单元，它具有加工简单、增益高、 易与铁氧体移相器的连接等诸多优点。且开口波导的结构简单规则，内部场结构 清晰易解，便于控制，并可用加载模片的方法改变波导的极化特性。另外，还可 在波导端头加载感性或容性模片使其宽角匹配良好。开口波导的缺点是结构尺寸 大，带宽窄。 z 图3 1 1 开口波导相控阵天线 ( b ) 1 6 安徽大学硕士毕业论文 3 2 偶极子天线 偶极子天线由同轴偶极子和印制在微带板上的微带偶极子等。同轴偶极子天 线多用于小阵面相控阵天线中。这种天线单元结构强度好、耐腐蚀、耐功率高、 极化纯。与微带偶极子天线相比，同轴偶极子天线更具灵活性，可用一定的方法 展宽其带宽。偶极子天线b 面和h 面的波束扫描角分别可达到1 1 0 。1 2 0 。和 5 0 。7 0 。，因此同适合于做一面宽波束另一面窄波束的二维相控阵天线单元。 偶极子天线的缺点是纵向尺寸大，以其作为大阵列阵元，则阵列结构笨重， 但有时也用于相控阵天线中。 3 3 贴片天线 微带天线是七十年代初期研制成功的一种新型天线。和常用的微波天线相比， 它有如下一些优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低； 电性能上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方 向；易于和微带线路集成，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以 组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。因此微带天线得到愈来愈广 泛的重视。微带线可以独立地作为天线使用，也可以作为天线阵中复杂天线的馈 源及微波网络传输线。 3 3 1 微带天线的结构和特点 微带天线可以有任意的几何形状和特征。但是，所有的微带天线可以分为 三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。 微带贴片天线( m p a ) 微带贴片天线是在带有导体接地板的介质基片上贴 加导体薄片而形成的天线。导体贴片可以有任意的形状，如图3 3 1 所示。 此处，微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线。这种天线最大的特点是效 率高，但阻抗频带较窄。 1 7 安徽大学硕士毕业论文 囫豳么国 正方形 矩形 三角形五角形 露 半圆形 囝 椭圆形圆环形 图3 3 1 导体贴片的形状 微带行波天线( m t a ) 微带行波天线是利用微带线的某种形变( 如弯曲等) 来形成辐射，称之为微带线型天线，这种天线因为沿线传输行波，又称之为微带 行波天线，如图3 3 2 所示。微带行波天线可以获得比较大的带宽，但这种天线 的效率较低并且在分析方法上还不很成熟，因此其应用范围不很广泛。 图3 3 2 微带行波天线 微带缝隙天线微带缝隙天线是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一 侧的微带线或其他馈线( 如槽线) 对其馈电，称之为微带缝隙天线。缝隙可以是 矩形、圆形或环形等。如图3 3 3 所示。 囫囫囫 矩形缝圆形缝珩隧 图3 3 3微带缝隙天线 安徽大学硕士毕业论文 微带缝天线的带宽比微带贴片天线要宽，特别是宽矩形缝，但此天线在要求 单方向辐射时，厚度比贴片天线要大。另外，分析和设计这种天线要比贴片式天 线困难些，限制了其应用范围。 3 3 2 微带天线的馈电 微带天线的馈电有种基本方式：微带线馈电和同轴线馈电。 微带线馈电用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，