【相控阵天线原理综述3400字】

相控阵天线原理综述目录TOC\o"1-3"\h\u12766相控阵天线原理综述 1310301.1静态波束形成 2180701.1.1均匀线阵的方向图 2245591.1.2均匀线阵的静态方向图 431751.1.3均匀线阵静态方向图性能分析 4262851.2相控阵电子波束扫描 774871.2.1相控阵天线波束扫描原理 7153701.2.2均匀线阵相控阵波束扫描 882121.2.3均匀线阵相控阵波束扫描性能分析 9相控阵天线是由许多辐射天线单元按照一定的规律排列构成的阵列天线，它能够控制阵列天线各单元的相位，改变天线方向图最大值的指向，实现波束自动扫描功能。相控阵天线的工作原理是对按照一定规律排列的基阵阵元的信号都加上适当的延时，从而获得阵列的波束偏转，在不同方位上同时进行相位延时，就可以获得多个波束。采用传统的机械方法旋转天线时，速度慢且惯性大，不能够准确的获得所需相位，相控阵天线不必采用机械转动，就可以在所要观察的空间范围内实现波束的扫描，整个相移变化只需要几微秒。与普通的阵列天线相比，相控阵天线具有以下优点。【相控阵雷达技术】(1)可以对天线的波束进行快速扫描，相控阵天线采用移相器来实现波束扫描，扫描所需时间短，无惯性。采用铁氧体移相器的波束转换时间为3-100微秒，采用半导体二极管移相器的波束转换时间为几个微秒。(2)可以迅速改变天线波束的形状，不仅可以采用移相器“仅相位”加权法实现波束形状迅速改变，还可以采用移相器和电控衰减器“幅相”联合加权的方法实现波束形状的迅速改变。(3)具有多波束形成的能力，依靠相应转换波束控制信号可以很方便地在一个重复周期内形成多个指向不同地发射波束和接收波束。(4)具有多目标搜索、识别和跟踪能力，相控阵天线可以迅速的实现一个或者多个主波束，并且指向不同的方向，每个主波束都能够锁定一个目标。(5)具有高的容差性，相控阵天线是由许多阵列单元构成的，在工作时，如果有部分天线出现故障，也不会对整个天线造成严重影响。第三章主要介绍了静态波束形成原理和相控阵波束扫描原理。在静态波束形成方面，利用Matlab软件进行仿真，绘制出了波束指向时的均匀线阵归一化方向图，并采用控制变量法考察阵元数、阵元间距、波长分别对均匀线阵主瓣宽度、副瓣电平的影响；在相控阵波束扫描方面，利用Matlab软件进行仿真，绘制出了波束指向、、、、的均匀线阵归一化方向图，实现了相控阵的波束扫描，然后采用控制变量法考察阵元数、阵元间距、波长分别对均匀线阵主瓣宽度、副瓣电平的影响。1.1静态波束形成1.1.1均匀线阵的方向图均匀线性阵列(UniformLinearArray)是指各单元中心沿直线等间距排列的阵列天线，设有个阵元，相邻阵元之间的距离为，由个阵元构成的均匀线性阵列如图1.1所示。图1.1均匀线阵模型假设远场信号为，若以图2.1中阵元1作为参考点，各阵元依次输出的信号为(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)式中，，为工作波长，是阵元间距，是阵元1与阵元2之间的波程差，是由波程差所产生的相位差，对应的波矢量为，位置矢量为，此阵列输出可以表示为(3-5)其中，是导向矢量，。通过将各阵元的输出进行加权求和，在一时间内将天线波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置给出波达方向估计[邵咪]。即输出可以表示为(3-6)式(3-6)中，令，称为方向图。对于均匀线阵，当波束形成指向时，，阵列的方向图可以表示为(3-7)对(3-7)式进行化简得均匀线阵的方向图函数(3-8)式(3-8)中，。由于方向图是用来表示天线在不同方向上辐射场的相对大小，所以在绘制方向图时常用归一化方向图函数，即在最大辐射方向上方向函数的值等于1。归一化方向图函数可以表示为(3-9)其中，为方向图函数的最大值。1.1.2均匀线阵的静态方向图静态方向图是将阵列输出的直接相加，即不考虑信号及波束指向，当时阵列输出具有最大值，令式(3-7)中的就可以得到均匀线阵的静态方向图。图1.2是利用Matlab软件进行仿真绘制出的阵元数为8、阵元间距，波长为0.03的均匀线阵归一化静态方向图。图1.2均匀线阵归一化静态方向图如图1.2所示的8阵元均匀线阵归一化静态方向图，其主瓣宽度为，副瓣电平为-12.80dB。1.1.3均匀线阵静态方向图性能分析在1.1.2的基础上，采用控制变量法考察阵元数、阵元间距以及波长对于均匀线阵的性能影响。首先，保证阵元间距和波长不变，令阵元间距为，波长为0.03，将阵元数依次设置为8、16、32，利用Matlab软件进行仿真得到图1.3；接下来，保证阵元数和波长不变，令阵元数为16，波长为0.03，将阵元间距依次设置为、、，利用Matlab软件进行仿真得到图1.4；最后，保证阵元数和阵元间距不变，令阵元数为16，阵元间距为0.08，将波长依次设置为0.02、0.03、0.04，利用Matlab软件进行仿真得到图1.5。图1.3均匀线阵静态方向图与阵元数的关系表格1.1图1.3所示的均匀线阵静态方向图的基本参数m=8m=16m=32主瓣宽度()副瓣电平(dB)12.726.351.17-12.80-11.15-11.23结合图1.3和表1.1可以看出：在阵元间距为、波长为0.03的情况下，随着阵元数的增大，主瓣宽度变窄，副瓣电平稳定在-13dB左右。图1.4均匀线阵静态方向图与阵元间距的关系表格1.2图1.4所示的均匀线阵静态方向图的基本参数主瓣宽度()副瓣电平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15结合图1.4和表1.2可以看出：在阵元数为16、波长为0.03的情况下，随着阵元间距的增大，主瓣宽度变窄，副瓣电平稳定在-13dB左右。图1.5均匀线阵静态方向图与波长的关系表格1.3图1.5所示的均匀线阵静态方向图的基本参数主瓣宽度()副瓣电平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15结合图1.5和表1.3可以看出：在阵元数为16、阵元间距为0.08的情况下，随着波长的增大，主瓣宽度变宽，副瓣电平稳定在-13dB左右。综上所述：阵元数、阵元间距与主瓣宽度成反比关系，波长与主瓣宽度成正比关系；副瓣电平始终保持在-13dB左右，与2.2.6中的理论知识一致。1.2相控阵电子波束扫描1.2.1相控阵天线波束扫描原理观察均匀线阵的幅度方向图函数(3-8)式可知：当阵列数足够大时，比较小，故，将(3-8)式继续化简得到线阵的幅度方向图函数(3-9)当时，有最大值。当波束指向发生变化时，阵列方向图的主瓣最大指向也会随之变化，故改变波束指向，就可以实现相控阵波束扫描功能。1.2.2均匀线阵相控阵波束扫描利用Matlab软件进行仿真实现相控阵波束扫描，图1.6是阵元数为8，工作频率为，阵元间距为，将波束指向依次设置为、、、、，绘制出的归一化均匀线阵方向图。表1.4是波束指向发生改变时，各个阵元的理想配相情况。图1.6相控阵的波束扫描表格1.4图1.6所示各个阵列方向图的理想配相阵元序数12345678波束指向时理想配相/()0-115.70-231.40-347.11-102.81-218.51-334.21-89.91阵元序数12345678波束指向时理想配相/()0-61.56-121.13-184.69-246.25-307.82-9.38-70.95阵元序数12345678波束指向时理想配相/()00000000阵元序数12345678波束指向时理想配相/()061.56121.13184.69246.25307.829.3870.95阵元序数12345678波束指向时理想配相/()0115.70231.40347.11102.81218.51334.2189.911.2.3均匀线阵相控阵波束扫描性能分析在1.2.2的基础上，利用控制变量法考察当波束指向、时，阵元数、阵元间距、波长对均匀线阵性能的影响。(1)当阵元间距为、波长为0.03、波束指向分别为、时，将阵元数依次设置为8、16、32，利用Matlab软件进行仿真得到图1.7，观察主瓣宽度和副瓣电平的变化。图1.7(a)波束指向时，均匀线阵方向图与阵元数的关系图1.7(b)波束指向时，均匀线阵方向图与阵元数的关系表格1.5图1.7所示的均匀线阵方向图的基本参数波束指向时m=8m=16m=32主瓣宽度()副瓣电平(dB)12.726.351.17-12.80-11.15-11.23波束指向时m=8m=16m=32主瓣宽度()12.726.351.17副瓣电平(dB)-12.80-11.15-11.23通过观察图1.7和表1.5可知：当波束指向、时，随着阵元数的增大，主瓣宽度变窄，副瓣电平稳定在-13dB左右。(2)当阵元数为16、波长为0.03、波束指向分别为、时，将阵元间距依次设置为、、，利用Matlab软件进行仿真得到图1.8，观察主瓣宽度和副瓣电平的变化。图1.8(a)波束指向时，均匀线阵方向图与阵元间距的关系图1.8(b)波束指向时，均匀线阵方向图与阵元间距的关系表格1.6图1.8所示均匀线阵方向图的基本参数波束指向时主瓣宽度()副瓣电平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15波束指向时主瓣宽度()12.726.354.23副瓣电平(dB)-11.15-11.15-11.15通过观察图1.8和表1.6可知：当波束指向、时，随着阵元间距的增大，主瓣宽度变窄，副瓣电平稳定在-13dB左右。(3)当阵元数为16、阵元间距为0.08、波束指向分别为、时，将波长依次设置为0.02、0.03、0.04，利用Matlab软件进行仿真得到图1.9，观察主瓣宽度和副瓣电平的变化。图1.9(a)波束指向时，均匀线阵方向图与波长的关系图1.9(b)波束指向时，均匀线阵方向图与波长的关系表格1.7图1.9所示均匀线阵方向图的基本参数波束指向时主瓣宽度()副瓣电平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15波束