空馈相控阵天线的效率.doc

空馈相控阵天线的效率1引言相控阵天线因其波束转换灵活迅速、能对多目标进行跟踪而受到人们的青睐。空馈相控阵天线又因其馈电简单、造价低得到了广泛的应用。相控阵天线的效率直接影响雷达的作用距离和其它性能,因此在相控阵天线设计中,它是一个非常重要的参数。相控阵天线的馈电方式主要分为两种,一种是强制馈电(又称为传输线馈电),其优点是容易实现需要的幅度分布,纵向尺寸小,但馈电网络复杂；另一种馈电方式是空间馈电(又称光学馈电),这种馈电方式的优点是馈电简单,但纵向尺寸大，而且幅度较难控制。本文着重讨论空间馈电的相控阵天线效率。空馈的方式主要有反射式和透镜式。透镜式空馈又可分为球面波馈电和平面波馈电。反射式是由初级馈源将能量辐射到阵面上,阵面单元接收后经过移相器又经短路器反射回来后再经过移相器到阵面单元最后辐射出去。透镜式是由初级馈源或天线将能量辐射到收集阵面上,收集阵单元接收后经移相器传输到辐射单元,最后由辐射单元辐射出去；球面波馈电是用初级馈源直接对收集阵馈电,平面波馈电是用与阵面同样大小的天线对收集阵馈电。反射式和球面波馈电结构简单，但纵向尺寸大、效率低；平面波馈电的效率高,没有接受单元的方向性损失,而且纵向尺寸小，但结构较复杂。2相控阵天线效率的分析相控阵天线的增益可以用类似于面天线的方式表示：.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13(2)其中，1是馈电漏过效率;2是收集阵单元效率;3是辐射阵单元效率;4是馈电照射遮挡效率;5是失配效率;6是接收阵单元方向性造成的漏失损耗;7是极化失配效率;8是幅相起伏损耗;9是辐射口径利用效率;10是移相器插入损耗;11是单元位置公差损耗;12是辐射口面遮挡效率;13是其他因素造成的损耗。从相控阵天线效率的组成来看,影响相控阵天线效率的因素比一般面天线要多得多,其中1.2.4.5.6.7.9可以看作总的馈电效率,而3.8.11.12实际上是辐射阵总辐射效率,10.13是相控阵的有功损耗。3相控阵天线各种效率的分析计算 其中,s为收集阵单元与移相器之间的失配反射系数,f为辐射阵单元与移相器之间的失配反射系数,k是馈源的反射系数。(6)接收阵单元方向性造成的漏失损耗6在反射式和球面波式空馈阵,由于收集阵单元是安装在一个平面上，且单元方向图最大接收方向平行于阵面中心轴方向,因此阵面边缘的单元最大接收方向与初级馈源的来波方向不一致造成了不能最大地接收馈源照射在这个方向上的能量,产生的损失称为接收阵单元方向性造成的漏失损耗。如图1所示,假设馈源归一化方向图为fk(),阵中第i个接收阵单元阵中归一化方向图为fdi(),馈源发射功率为Pt,则接收阵接收到的能量为：(8)其中,Gk是馈源增益,Gdi是第i个收集阵单元的阵中增益,ri是第i个收集阵单元与馈源的距离。图1馈源方向图和接收阵单元方向图当每个收集阵单元都对准馈源且与馈源的距离都相等时(球面阵排列)，接收的能量最大,此时没有方向性漏失,这时fdi(1)=1,ri=r0，接收能量为：(9)从上图中可以得到：i=1i,ri=r0/cosi,由(8)、(9)两式可以求出接收阵单元方向性造成的漏失损耗为：(10)从(9)式中可以看出收集阵单元方向性漏失主要是与接收阵单元的方向性有关,还与收集阵的焦径比r0/D(D是阵面有效直径)有关。表1给出了阵面单元数、阵面尺寸及排列相同情况下不同焦径比、阵中单元方向性不同时的接收阵单元方向性造成的漏失损耗。表1接收阵单元方向性的漏失损耗单元方向性fd()=cos边缘照射电平：-14.5dBfd()=cos1.32边缘照射电平：-14.5dBfd()=cos2边缘照射电平：-14.5dBr0 /D0.51.02.00.51.02.00.51.02.06(%)56.781.294.454.480.193.950.177.292.9(7)极化失配效率7极化失配效率通常是指圆极化状态下,由于馈源圆极化性能和收集阵单元、移相器圆极化性能不匹配造成的能量损失。一般来说，它主要是由于移相器圆极化与馈源圆极化之间的不匹配产生的。(8)幅相起伏损耗8由于单元间的互耦以及接收阵面的反射和绕射会造成收集阵幅相分布的起伏，而移相器和馈源圆极化性能的不理想也会产生相位控制误差，这些起伏及误差会造成天线的增益损失。(9)辐射口径利用效率9和面天线的相似，相控阵天线的辐射口径利用效率是指口面幅度分布不均匀造成的增益损失。这里主要是指口面幅度锥削造成的增益损失,表示为： (11)其中，Ii是辐射阵中第i个单元的场强幅度分布,N是整个辐射阵面的总单元数。对于反射式和球面波式空馈阵,参考图1可以得出：(12)对于平面波空馈阵,可以用下式计算：(13)(10)辐射阵口面遮挡效率12对于辐射阵而言,由于结构上或其他的原因造成的阵面有一部分无用(通常是中心区)形成的增益损失称为辐射阵口面遮挡效率。反射式空馈主要是馈源和支杆造成的,而双反射面平面波空馈主要是副面遮挡造成的。辐射阵口面遮挡效率可以表示为：12=1-k4实验阵的分析计算与实测结果我们研制了一个实验阵来研究空馈阵的效率和扫描性能，为了减少单元数和降低成本,该实验阵的单元采用大间距非周期环栅阵排列,单元最小间距是1.3。整个阵面有效直径是17。馈电方式采用了前馈抛物面天线对阵面空间馈电。接收单元和辐射单元是一一对应的,单元排列在五个同心圆上,共有104个单元,移相器是六位铁氧体圆极化移相器。表2给出了实验阵效率的理论计算和实测结果，表中前五项之和称为接收效率。它是在测量小阵面的口径分布时，通过测量每个辐射单元的辐射功率与总输入功率之比得到的。由于结构上的原因,阵面中心大约有直径4的区域没有单元，所造成的馈电遮挡损耗近2dB。经实验室测试，小面阵中的移相器平均插入损耗为0.9dB。在小面阵的近场测试中，发现由于波控系统不稳定造成的幅相误差损耗为1.0dB（这是因为本小面阵中的圆极化补偿相位是由两个正交极化的幅度和相位确定的）。比较小面阵的实测增益和近场实测馈电损耗预测的增益就可得到辐射阵的效率为-2.7dB。表2相控阵天线的效率.(14)其中,=Sx/Sa，Sx是遮挡区面积,Sa是阵面总面积。k是跟口面照射分布有关的系数。对于均匀照射：k=1；对于锥削分布：k2。各种效率理论计算实测结果漏失效率-0.20dB-3.2dB收集阵单元效率-0.60dB失配效率-0.30dB极化失配效率-0.20dB馈电遮挡效率-1.80dB幅相起伏损耗-0.80dB-1.00dB移相器插入损耗-0.80dB-0.90dB辐射口径利用效率-1.30dB-2.70dB辐射单元效率-0.20dB位置公差-0.60dB辐射口径遮挡效率-0.50dB其它因素损耗-0.30dB总计-7.6dB-7.8dB作者简介:朱瑞平高级工程师，中国电子学会高级会员。1984年毕业于西安电子科技大学电磁工程系。长期从事雷达天线系统的研制，承担国家重点型号产品研制，曾获部级科技进步一等奖。目前主要从事单脉冲及空馈相控阵天线系统的研制工作。何炳发高级工程师，IEEE会员，中国电子学会高级会员。1983年毕业于西安电子科技大学电磁工程系。长期从事雷达天馈线系统的研制工作，承担多项国家重点型号产品的研制。目前主要从事固态有源、空馈相控阵天馈线系统和TR组件的研制工作。 作者单位南京电子技术研究所，天线与微波技术国家级重点实验室南京 210013参考文献1Mailloux R J. Phased Array Antenna Handbook. Artech House MA,1994.2Eli Brookner et al. Practical Phased Array Antenna Systems. Artech House,MA,1994.3Hansen R C. Microwave Scanning Antennas. Vol.1,New York:Academic Press,1964.4Silver S. Microwave Antenna Theory and Design. MIT.Rad.Lab.,Series ,Vol.12,New York,1979:(1)其中,Se是相控阵天线的有效口径面积,是工作波长。是相控阵天线效率,它包括了移相器插入损耗等在内的所有有功和无功损耗,可以表示如下：=1(1)馈电漏过效率1无论是对于反射式馈电还是对于球面波馈电、平面波馈电,都存在漏过损失。反射式和球面波馈电只有阵面截获漏失；而平面波馈电不仅存在阵面截获漏失,还存在主反射面截获漏失、副面截获漏失(对于双反射面)。对于反射式和球面波式馈电,假设馈源方向图为全对称,其归一化方向图为fk(),那么，(3)其中,m是馈源对阵面的最大照射半张角。对于双反射面平面波式馈电：(4)其中，fka(a)是喇叭和副反射面综合等效归一化方向图,am是对主反射面的最大半张角。(2)收集阵单元效率2单元效率通常是指只有一个单元在阵列中发射时单元的辐射功率和单元的发射功率之比。其中一部分功率由于互耦作用跑到其他单元并被吸收了。(5)其中，Pr是单元辐射功率,Pt是单元发射功率。单元效率实际上与单元形式、单元间距及排列是紧密相关的,采用大间距高方向性单元可以降低单元互耦，提高单元效率。但是如果采用反射式馈电或球面波馈电方式单元的高方向性，会使得接收单元的方向性损失增加,这一点将在下面讨论。单元效率与单元的方向性也有关系,实际上它是指单元的阵中有效面积与单元在阵中所占的单元格面积之比。因此，提高收集阵单元效率实际上就是不仅要降低单元互耦,还要提高单元的方向性,也就是提高阵中单元增益。但是，提高单元方向性的一个重要原则是单元的有效面积不能重叠。否则，单元在阵中会产生强烈的互耦并使得阵中单元方向图畸变,失去采用高增益单元的目的。(3)辐射阵单元效率3辐射阵单元效率定义和收集阵单元效率是一样的。在反射式空馈阵中辐射阵单元和收集阵单元是相同的,而透镜式空馈阵中收集阵单元和辐射阵单元可以相同也可以不同。在选择辐射阵单元时,不仅要考虑辐射阵单元效率,还要考虑到辐射阵单元的阵中方向性对相控阵天线扫描性能的影响；对于宽角扫描阵,则不能用提高阵中单元方向性的方法来提高辐射阵单元效率,而只能采用降低单元互耦的方法。对于有限扫描相控阵,则可以根据扫描性能的要求适当采用加大间距并相应提高单元方向性的方式来提高辐射阵单元效率。(4)馈电照射遮挡效率4馈电照射遮挡效率是指馈电的馈源或天线在收集阵的总能量减去照射在收集阵无用区的能量与照射到收集阵上的总能量之比。无论是哪种馈电方式反射都或多或少地存在馈源照射不到或无收集单元的地方。对于反射式空馈阵,由于初级馈源位于辐射区中心,因此照射到中心区(与馈源在阵面上的投影区)