二維寬帶寬角掃描相控陣天線分析

葛朝鋒

（桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

二維相控陣?yán)走_(dá)被人們廣泛的應(yīng)用在民用和軍事設(shè)備中，二維有源相控陣?yán)走_(dá)是一個(gè)十分重要的發(fā)展方向，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)雷達(dá)新的需求以及數(shù)字集成電路、微波技術(shù)、信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，二維有源相控陣?yán)走_(dá)成為先進(jìn)三坐標(biāo)雷達(dá)的重要發(fā)展方向。寬帶寬掃描角在掃描的時(shí)候?qū)﹃嚵刑炀€的設(shè)置有著較高的要求。在具體研究設(shè)定時(shí)候要充分研究天線單元、單元耦合和寬度角匹配問題。在具體分析的過程中要注重展現(xiàn)天線單元的有源方向圖。為此，文章在闡述相控陣天線原理的基礎(chǔ)上就二維寬帶寬角掃描相控陣天線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用要求和應(yīng)用仿真設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探究。

1 相控陣天線的原理分析

相控陣天線由天線陣列、相位和幅度調(diào)制器共同組成，在具體實(shí)施操作的時(shí)候能夠借助波束系統(tǒng)來控制天線操作單元和信號(hào)設(shè)定情況，并在設(shè)置的過程中改變陣列口徑的照射函數(shù)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作需要來整合資源力量形成波束掃描陣列系統(tǒng)。

相控陣列天線由天線陣列、相位、幅度控制器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、波束控制系統(tǒng)組成。天線作為系統(tǒng)空間電磁波和系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，在使用的時(shí)候描述了天線輻射空間的主要控制電磁波，在特定的空間范圍內(nèi)會(huì)形成波束快速掃描能力。

2 寬帶寬角掃描相控陣天線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求

針對(duì)研究制作的二維寬帶掃描相控陣天線陣列模式，饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的功分網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要著重做好以下幾個(gè)方面的工作：第一，提升網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸效率。在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中，系統(tǒng)中的線路使用損耗直接影響寬帶寬角掃描相控陣天線的傳輸速率，這種損耗具體體現(xiàn)在能耗的吸收和能耗的重新分配處理。損耗的吸收一般是指在周圍導(dǎo)體電阻作用下，歐姆傳輸線使用所引起的介質(zhì)損耗。第二，較寬的頻帶設(shè)置。在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時(shí)候?yàn)榱四軌蛟鰪?qiáng)各個(gè)天線系統(tǒng)使用的抗干擾性，需要將寬帶寬角掃描相控陣天線設(shè)置的寬敞一些，并為寬帶寬角掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)提供足夠的寬帶支持。第三，幅相一致性良好。寬帶寬角掃描相控陣天線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的移相器會(huì)具備相同的相移量，衰減器在保證同等衰減量的情況下能夠?yàn)楦鱾€(gè)支路的運(yùn)作提供重要的支持，從而能夠有效規(guī)避因?yàn)楦鱾€(gè)支路幅相不一致所引起的天線波束位移問題。

3 寬帶寬角掃描相控陣天線陣列的分析和設(shè)計(jì)

3.1 天線陣列的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小

在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時(shí)候需要嚴(yán)格遵循天線陣元布置標(biāo)準(zhǔn)，按照整個(gè)項(xiàng)目規(guī)定的指標(biāo)來設(shè)定平臺(tái)的尺寸大小。在具體實(shí)施操作的時(shí)候?yàn)榱四軌虮ＷC平臺(tái)的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合實(shí)際來制定出規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)的約束和規(guī)范下對(duì)寬帶寬角掃描相控陣天線進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。按照整個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)的設(shè)定要求進(jìn)行平臺(tái)的設(shè)計(jì)。為了能夠統(tǒng)一天線高增益波束和波束二維寬角掃描指標(biāo)的科學(xué)，寬帶寬角掃描相控陣天線在排列的時(shí)候需要設(shè)計(jì)成6x6的矩陣柵格偵查，為每個(gè)天線陣元的設(shè)計(jì)提供足夠的電力支持。

3.2 相控陣天線的波位配置

所設(shè)計(jì)的相控陣天線采用數(shù)字移相器來進(jìn)行移位控制，數(shù)字移相器的相位會(huì)按照一定的步進(jìn)量發(fā)生躍變，所以陣列天線饋電的相位分布是離散的。這樣陣列的天線波束掃描具備離散性的屬性。

相控陣天線掃描波位在掃描范圍內(nèi)的分布情況直接影響相控陣系統(tǒng)信號(hào)處理性能和能量資源優(yōu)化。波束躍度比較小，在使用的時(shí)候能夠減少小天線波束形狀造成的調(diào)制損失。對(duì)相控陣天線波位配置的目的是在相控陣天線性能損失和數(shù)據(jù)處理能力之間選擇一種最優(yōu)解。

4 二維寬帶寬角掃描天線陣面設(shè)計(jì)

4.1 寬帶寬角掃描天線陣面單元天線

對(duì)寬帶寬角掃描陣列天線的研究是一個(gè)熱門問題，寬帶寬角掃描陣列天線研究的關(guān)鍵是陣列單元的選取。按照寬帶寬角掃描陣列天線技術(shù)要求，天線陣元需要選擇阻抗頻帶寬，方向圖波瓣的寬度較大的天線單元。

VivaLdi天線是一種按照曲線漸變的開槽天線，整個(gè)天線在設(shè)計(jì)的時(shí)候擁有極大的阻抗頻帶，十分適合用作相控陣天線輻射單元。文章采用帶狀線-槽線的饋電結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)VivaIdi單元天線，天線結(jié)構(gòu)由兩層介質(zhì)構(gòu)成，饋電線位于兩個(gè)介質(zhì)層之間，介質(zhì)層的兩邊為指數(shù)漸變的輻射槽縫。介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.55，厚度為0.5mm。

寬帶寬角掃描相控陣天線的最上部分介質(zhì)基板會(huì)牽扯到各個(gè)支路端口，具體涉及到的內(nèi)容有階梯狀的金屬圓柱探針、中心饋線端口、中心饋線支持下的饋電端口加載容性圓盤、波導(dǎo)同軸上部分腔體的金屬壁、下介質(zhì)基礎(chǔ)板、各個(gè)支路端口。在具體設(shè)計(jì)的時(shí)候，寬帶寬角掃描相控陣天線上下介質(zhì)基礎(chǔ)板之間的電力介質(zhì)常數(shù)在2.65左右。

4.2 寬帶寬角掃描天線陣面的陳列設(shè)計(jì)

小型陳列天線的設(shè)計(jì)對(duì)雷達(dá)天線的控制和大型陣列布置發(fā)揮出了十分重要的作用，小型陣列分析主要會(huì)涉及到陣列單元間互耦影響下中心單元的輻射特性和有源反射系數(shù)特性?？紤]到單元之間距離越遠(yuǎn)，互耦效應(yīng)越小，陣列邊緣單元天線對(duì)中心單元的影響比較小。一般情況下，設(shè)計(jì)中心單元距離陣列邊緣兩個(gè)到三個(gè)波長(zhǎng)的小型陣列能夠獲得模擬大型陣列天線的性能特性。利用AnsoftHFSS軟件仿真優(yōu)化計(jì)算得出的基本參數(shù)，其中通過改變振子的長(zhǎng)度和寬度來調(diào)節(jié)VivaLdi天線陣的頻率變化，通過改變饋電點(diǎn)的位置可以調(diào)節(jié)VivaLdi天線的阻抗匹配。最后確定優(yōu)化后的天線單元體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其寬度為21mm，高度為22mm。

4.3 互耦及陣列掃描特征分析

為了保證小陣能模擬陳列環(huán)境，選取11x11的小陣來模擬，從整個(gè)工程建設(shè)角度來看，在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中通過使用小陣試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y(cè)量出各個(gè)單元的耦合系數(shù)，從而更為全面的了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的增益變化，了解VivaLdi天線的掃描特性。在計(jì)算分析的時(shí)候通過CST仿真軟件進(jìn)行計(jì)算分析，在cst中對(duì)61號(hào)單元饋電提取出適合的耦合系數(shù)，進(jìn)而編程計(jì)算出陣列中心單元的掃描特性。經(jīng)過仿真計(jì)算當(dāng)有源駐波≤3的時(shí)候，即有源反射系數(shù)為0.5的時(shí)候能夠獲得陣列在H面可以掃描到±85度，存E面可以掃描到±80度，滿足指標(biāo)要求，且在頻帶內(nèi)中心單元無源駐波在1.2以下，可以添加寄生柱后不僅拓展了E面波瓣寬度，而且也會(huì)由此減少了單元間的耦合影響。

4.4 小陣試驗(yàn)

大型陣列中，絕大部分單元特征表現(xiàn)為陣列中心單元特性，整個(gè)中心單元的掃描特性能夠代表天線陣列掃描特性，使用小陣試驗(yàn)的方式能夠預(yù)計(jì)陣列天線的掃描特性，避免了計(jì)算單元之間互耦所需的復(fù)雜編程。工程上會(huì)采用這種方式來開展陣列天線的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要保證陣列天線的尺寸在5波長(zhǎng)到6波長(zhǎng)之間。在增益下降不超過3db基礎(chǔ)上，整個(gè)陣列H免災(zāi)6GHz最大能夠掃描47度，H面在8GHz最大能夠掃描80.4度，H面在10GHz最大能夠掃描78度，H面在12GHz最大能夠掃描83.4度。由此也充分證明，寬帶寬角掃描相控陣天線的運(yùn)作頻率越高，在陣列增益下降到一定比值的時(shí)候，最大掃描角度也不一定會(huì)變小。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)每個(gè)單元的耦合系數(shù)進(jìn)行綜合測(cè)試，在測(cè)試完成之后進(jìn)行編程計(jì)算，經(jīng)過一系列地基計(jì)算獲得陣列掃描特性曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)在有源駐波≤3的時(shí)候，即有源反射系數(shù)為0.5的時(shí)候，陣列在H面就能夠掃描到±75度，在E面能夠掃描到±70度，由此滿足了方案指標(biāo)要求，增大了掃描范圍。經(jīng)過一系列的分析設(shè)計(jì)出了寬帶寬角二維天線單元，整個(gè)測(cè)試?yán)碚摵蛯?shí)踐測(cè)量結(jié)果比較精準(zhǔn)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。