一、相控阵天线
1.1 概述
相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的，在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。相控阵天线的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快（毫秒量级），天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。
相比于传统的利用机械旋转天线的方式来实现波束扫描，相控阵天线具有高增益、波束捷变、高可靠性等优点，可以使雷达系统增大雷达作用距离，对付低可探测目标以及高速、高机动目标。相控阵天线除了在军事领域发挥巨大作用的同时，在民用上也具有很大的发展潜力，在港口及空中交通管制，气象预测预报，通信广播，射电天文等方面现已表现出广阔的用武之地。
有源相控阵天线的每一个天线单元通道中均含有有源电路，对收发合一的相控阵天线来说，则是收/发（T/R）组件，每一个T/R组件相当于一个高频头，既有发射功率放大器，又有低噪声放大器、波束控制电路等多种功能电路。与无源相控阵天线相比，有源相控阵天线具有系统功率效率高、副瓣电平低、灵活性好和可靠性高等优点。
1.2 相控阵天线简介
相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变每一天线单元通道传输信号的相位与幅度，改变相控阵列天线的口径照射函数，可以实现天线波束的快速扫描与形状变化。
图1.1所示为一个发射和接收共用的线性相控阵列天线。发射时，发射机输出信号经功率分配网络分为N路信号，再经相移器移相后送至每一个天线单元，向空中辐射，使天线波束指向预定方向；接收时，N个天线的回波信号，分别通过相移器移相，经功率相加网络，实现信号相加，然后送至接收机。发射和接收信号的转换依靠收发开关实现。由这一原理图可见，它的天线系统是一个多通道系统，包括多个天线单元通道，每一通道中均包含有相移器。如果在每一个天线单元通道中接入有源部件，例如，功率放大器，低噪声放大器，混频器与收/发转换开关等电路，或接入将发射机、接收机、相移器和衰减器等集成在一起的发射/接收组件，则称为有源相控阵天线。
图1.1 相控阵雷达工作原理图
1.3 相控阵天线的主要技术特点
1）天线波束快速扫描能力
用电子控制方式实现相控阵天线波束指向快速转换，使天线波束具有快速扫描能力是相控阵天线的一个主要技术特点。克服机械扫描天线波束指向转换的惯性及由此带来的雷达性能的限制，是最初研究相控阵天线的一个主要原因。这一特点来自阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力；对宽带相控阵雷达，为实现这一特点，各单元通道内还要求信号传输时间能快速变化。对采用相移器的相控阵天线，天线波束指向的快速变换能力或快速扫描能力，在硬件上，决定于开关器件及其控制信号的计算、传输与转换时间。天线波束指向快速转换特点是相控阵雷达应运而生、高速发展的基本原因。
2）天线波束形状的捷变能力
相控阵天线波束形状的捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力，描述天线波束形状的主要指标除了天线波瓣宽度（如半功率波瓣宽度）、天线副瓣电平、用于单脉冲测角的差波束零值深度等外，还有天线波束零点位置、零值深度、天线波束形状的非对称性、天线波束副瓣在主平面与非主平面的分布、天线后瓣电平等。
3）空间功率合成能力
相控阵天线的另一个重要技术特点是相控阵天线的空间功率合成能力。采用阵列天线之后，可在每一个天线单元或每一个子天线阵设置发射信号功率放大器。依靠相移器的相位变换，使发射天线波束定向发射，即将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。
4）多波束形成能力
相控阵天线的另一技术特点是易于形成多个天线波束。多波束形成可以在天线单元级别上实现，也可在子天线阵级别上实现，这一技术特点可以使相控阵雷达实现更多的功能。
由于相控阵天线是由多个空间上分散布置的天线单元构成，每个单元通道中信号传输时间、相位与幅度在计算机控制下均可快速变化。因此相控阵天线具有快速变化的空域滤波能力。这是一般机械扫描天线所不具备的。
二、平面相控阵列天线设计原则
2.1平面相控阵列天线设计
2.1.1 平面相控阵天线原理
平面相控阵天线中各天线单元按矩形格阵排列。
1）平面相控阵天线的方向图函数
图2.1 等间距排列的平面相控阵天线示意图
如图2.1所示的平面相控阵天线。图中天线阵列位于yOz平面上，共有M×N个天线单元，天线单元间距分别为d1与d2。设目标所在方向以方向余弦表示为(cosαx、cosαy、cosαz)，则由各天线单元到目标方向之间存在的路程差决定了信号传输过程中的相位差。因此，相邻天线单元之间的空间相位差，沿y轴（水平）和z轴（垂直）方向，分别为
 （2.1）
 （2.2）
第(i,k)个单元与第（0,0）参考单元之间的空间相位差为 。若天线阵内由相移器提供的相邻天线单元之间的阵内相位差，沿y轴和z轴分别为
 （2.3）
 （2.4）
式中， 为波束最大指向的方向余弦，当以球坐标θ、φ表示时，则  ， 。
第(i,k)天线单元与第（0,0）天线单元的阵内相位差为
 （2.5）
为简化书写，式(2.5)也可写为下列形式：
 （2.6）
式中，α，β在此处用于简化阵内相移的表示，即
若第(i,k)单元的幅度加权系数为αik，则图2.1所示平面相控阵天线的方向图函数F(cosαy，cosαz)在忽略天线单元方向图影响的条件下，可表示为
（2.7）
式中
考虑到
 （2.8）
故平面相控阵天线方向图函数又可表示为
(2.9)
根据式(2.9)可以看出，改变相邻天线单元之间的相位差，即阵内相位差β与α，即可实现天线波束的相控扫描。
2）均匀分布式平面相控阵天线的方向图函数
当天线口径照射函数为等幅分布，即不进行幅度加权，在式(2.9)中，幅度加权系数αik=1，亦即均匀分布时，式(2.9)表示的天线方向图函数可表示为：
因此，方向图函数可表示为
 (2.10)
式(2.10)表明，等幅分布时，平面相控阵天线方向图可以看成是两个线阵天线方向图的乘积。图片是水平方向线阵的天线方向图，图片是垂直方向线阵的天线方向图。参照线阵的方向图推导，它们分别是：
 (2.11)
 （2.12）
2.1.2 平面相控阵天线的波瓣宽度与增益
除了栅瓣位置外，天线波瓣宽度、天线增益、天线带宽等都是平面相控阵天线的重要特性，天线波瓣宽度与增益是与相控阵雷达系统性能有密切关系的指标。
1）平面相控阵天线的波瓣宽度
由式(2.7)可以计算出平面相控阵天线的半功率波瓣宽度。对于等幅照射的平面相控阵天线，可以利用式(2.11)、式(2.12)，参照线阵情况，求出天线波束的半功率波瓣宽度。
（1）天线不扫描时，在天线侧射方向，天线半功率波瓣宽度在方位与仰角方向分别为
 (2.13)
（2）在天线主平面的波瓣宽度。当θ=θB时，在仰角平面，半功率波瓣宽度为
在方位主平面上，天线水平半功率波瓣宽度与方位扫描角φB有关。因x≈1.39时， 由式（2.11）
得
 （2.14）
当φ=φB时，可求出在仰角平面上，天线垂直方向半功率波瓣宽度。
同样，因为x=1.39时，辛格函数 ，故由式(2.12)可得
将θ表示为θ=θB+θ1/2，得
 （2.15）
2）天线增益
对于等幅口径分布，天线增益的理论值为
 （2.16）
式中，Ae为天线有效口径面积，对于M×N个单元间距为d1（垂直方向）与d2（水平方向）的平面天线阵，Ae最大为天线口径面积A，天线面积为
 （2.17）
天线增益Go也可表示为
 （2.18）
式中，Ge为单个天线单元在阵中的最大增益，其表达式为
 （2.19）
三、相控阵天线设计与仿真结果
3.1相控阵天线单元设计与仿真结果
设计一个94GHz均匀分布式平面相控阵天线，使用Ansoft HFSS16进行建模和仿真。天线单元如图3.1所示，辐射片采用正方形结构，尺寸为lp*lp（lp=1.37mm，0.43λ0，λ0为94GHz电磁波的自由空间波长），采用空气介质，高度为h（h=0.2mm，0.06λ0），同轴线馈电点如图所示（dx=0.185mm，dy=0.685mm）。
图3.1 相控阵天线单元
94GHz时天线单元xOz面，yOz面的辐射方向图如图3.2（a）所示，天线单元立体辐射方向图如图3.2（b）所示，辐射片上的电场强度分布如图3.2（c）所示。
图3.2（a）天线单元xOz面，yOz面辐射方向图
图3.2（b）天线单元立体辐射方向图
图3.2（c）辐射片的电场强度分布
3.2 均匀分布式平面相控阵天线设计与仿真结果
利用天线单元进行组阵，如图3.3所示，该相控阵天线采用正方形等间距分布平面阵，图3.3（a）为阵列的俯视图，图3.3（b）为阵列的立体图。
图3.3（a）阵列俯视图
图3.3（b）阵列立体图
该相控阵天线是一个8*8的等间距阵列，阵元间距为gap（gap=0.75mm，0.23λ0）。当64个阵元等幅同相馈电时，xOz平面的方向图如图3.4（a）所示。最大辐射方向为theta=0，最大增益为26.62dB。天线阵列立体辐射方向图如图3.4（b）所示，辐射片上的电场强度分布如图3.4（c）所示。
图3.4（a）xOz平面方向图
图3.4（b）天线阵列立体辐射方向图
图3.4（c）辐射片上的电场强度分布
设计最大辐射方向theta=30°的波束，利用等幅平面相控阵方向图函数计算，可得每个阵元的馈电相位，如表3.1所示。
表3.1 阵元的馈电相位（单位：°）
对每个阵元进行等幅，馈电相位如表3.1所示进行馈电，即可得到最大辐射方向为theta=30°的波束，如图3.5(a)所示，最大增益为24.55dB。
图3.5（a）xOz平面方向图
图3.5（b）天线阵列立体辐射方向图
图3.5（c）辐射片上的电场强度分布
相控阵天线的原理是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图的形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。通过上述一系列仿真证明了利用相控阵天线可以实现波束的扫描。
（说明：该部分结果只是为了说明设计过程，由于天线单元方向图和阵间互耦没有做特殊处理，因此呈现的结果性能并非最佳状态。）
| 
/2 
发表于 2021-12-2 15:28:36
