一種短波相控陣天線設計研究

秦晉平，史 偉，王華旭，石海東

(1.海軍北海艦隊司令部，山東 青島 266071;2.海軍潛艇學院，山東 青島 266042）

一種短波相控陣天線設計研究

秦晉平1，史 偉2，王華旭1，石海東2

(1.海軍北海艦隊司令部，山東 青島 266071;2.海軍潛艇學院，山東 青島 266042）

基于短波同相水平天線，設計出一種短波相控平面陣列天線。該天線陣為矩形柵格平面陣天線，采用4(4個半波振子作為輻射單元。通過改變天線陣饋電網絡移相量，改變天線陣波束指向，構成一種方位波束可控的相控平面陣天線。對該相控平面陣天線進行了深入的數學分析，求解輻射單元最佳激勵。計算仿真結果表明，該相控天線具有較好的阻抗特性及輻射特性，滿足給定方向上的短波通信要求，具有較高的應用價值。

同相水平天線;相控陣;方向圖

0 引言

相控陣天線由多個天線輻射單元按一定方式排列構成，每個輻射單元至饋電網絡之間接有源組件或無源移相器。相控陣天線能夠迅速改變波束指向，形成期望的方向圖，這是其他天線難以完成的功能。隨著天線技術發展和計算機廣泛應用，近年來相控陣天線技術在雷達、無線電通信等各種無線電系統中獲得了愈來愈廣泛的應用［1］。無線電通信系統采用相控陣天線的主要目的是:使通信天線獲得高增益，形成定向性輻射波束，以提高通信的隱蔽性，或降低發信機功率及提高收信機靈敏度。在無線電通信領域，很多文獻對相控直線陣天線技術的分析研究較為深入，但較少文獻對相控平面陣天線技術及應用進行深入分析和研究［2－4］。基于經典、成熟的短波同相水平天線，設計一種相控平面陣天線。本文對其進行深入的數學分析，在此基礎上，通過計算機仿真。結果表明，該天線陣形成了所期望的、多個固定的高增益波束，阻抗特性較好，滿足設計要求。

1 相控陣構建設計

平面陣天線輻射及波束特性好，但控制技術要求高。常見的平面陣天線是矩形柵格平面陣列天線，其結構簡單，便于饋電。矩形柵格平面陣的一個實際應用是同相水平天線陣，它是由M×N個等幅同相激勵的半波振子組成，每個振子作為1個輻射單元。構建的矩形柵格平面陣天線采用4×4個半波振子為輻射單元。為展寬天線的頻帶特性，振子采用籠形振子設計，在陣后方增加反射網，天線陣垂直于地面架設。天線陣示意圖如圖1所示。

圖1 4×4單元天線陣示意圖Fig.1 The sketch of(4×4）unit antenna array

對天線陣每一列各振子同相饋電，同時對每一列饋電進行移相，從而使天線陣在空間輻射形成波束。通過改變移相量，改變波束指向，即構成一種波束方位可控的相控陣天線。

可進行波束控制的發射天線陣列，在天線單元間存在強互耦的情況下，需要保證天線在不同頻率工作時各單元的阻抗特性平穩，確保發射陣正常工作，并根據天線陣的方向圖波束寬度、波束指向、合成增益等指標要求，盡可能縮小天線的結構尺寸，盡量減少旁瓣和柵瓣。

根據以上要求，本天線陣設計的天線單元水平間距為0.65λ(λ為設計頻率f0的波長），2層之間的距離為0.5λ，天線面離反射網的距離為0.25λ，天線離地高度為0.5λ。將每1列的4行振子通過等長饋線同相饋電，合成后形成1個單列輸入端口，然后將每列的輸入端口通過移相電纜進行移相，就可形成不同的波束指向。

2 相控陣天線數學分析

對于二維相控陣天線而言，當天線輻射單元位于xoy平面上，由M×N個單元組成矩形柵格平面陣時，設mn號單元的激勵電流為Imnejφmn，方向圖函數為fmn(θ，φ），位置矢量為在觀察方向

若輻射單元在xoy平面上的位置排列等間距，則位置矢量為

式中:m與n為單元的序號;d x與d y分別為單元在x方向和y方向的間距。要使陣列的波束最大值指向為 (θ0，φ0），則各單元的饋電相位應為

當兩維相控陣的2個主平面具有不同的副瓣電平，且天線口徑為矩形時，可以采用強制饋電網絡來實現，即單元mn上的幅度可表示成2個獨立系數的乘積。此時，式(4）中的Imn可表示成

顯然，矩形口徑兩維相控陣天線，可表示為2個獨立的 (可分離變量）一維相控陣天線方向圖的乘積。任意波束指向，可分別由前后2個一維相控陣天線級連后獨立的控相來實現。

當考慮天線間互耦的情況時，需采用數值計算方法，計算天線間互耦以及各天線上的電流分布，并根據合成波束的最佳增益來計算天線的激勵及移相量［5］。

設在天線陣遠處觀察點，有一線極化試驗接收天線，它和天線陣組成1個(N+1）端口網絡，其各端口的電壓和電流有如下關系

式中:Vt，It為試驗天線的端電壓和電流;［Va］，［Ia］為天線陣各端口的電壓和電流矩陣;Ztt為試驗天線的輸入阻抗;［Zaa］為天線陣的阻抗矩陣;［Zta］和［Zat］為試驗天線和天線陣端口之間的互阻抗矩陣。設天線陣的激勵電流為［I1，I2，…，IN］，試驗天線開路，則系統輸入的復數功率為

式(13）是一個本征值方程，求解方程的最大本征值和對應的本征向量，即可求出最大增益對應的天線陣最佳激勵。

3 仿真計算結果

利用矩量法并結合相控陣的理論，對圖1所示的地面上4×4天線陣的阻抗及輻射特性進行分析計算［6］。在同相激勵時，由于天線之間的互耦，天線中間單元與邊緣單元的阻抗特性具有一定的差異，反映到天線端口間的駐波表現出不同的特性。圖2和圖3給出不同天線位置、不同頻率工作時的天線駐波特性的仿真計算結果。

圖2 天線陣中單元駐波比Fig.2 VSWR of themiddle units of the antenna array

圖3 天線陣邊單元駐波比Fig.3 VSWR of the side units of the antenna array

對每列4層偶極振子構成的1組天線進行同相饋電，形成4個天線輸出端口。通過移相，由該4列振子組構成一水平面波束可控的相控陣天線，依據式(3）設置每列的移相量。天線陣在同相激勵時的最大增益為G，半功率波束寬度為2φ0。希望在掃描以后，天線掃描主波束方向的增益不低于同相激勵時的增益3 dB，為此，確定天線的掃描角增加量為φ0。通過計算仿真，形成3個掃描波束，使天線的波束覆蓋區域內的增益大于預期值。圖4為不同移相量形成的天線波束方向圖。

圖4 頻率f0時不同掃描角時的天線方向圖Fig.4 The antenna pattern of different scan angle when f0

在不同移相量情況下，在4個端口上的天線駐波比不同。隨著掃描角的變化，天線端口阻抗會發生變化，各口表現的駐波特性各不相同。通過合理設計天線參數，適當調整移相量可使得4個端口的駐波比小于2，滿足發射機正常工作的要求。

4 結語

通過合理構建相控平面陣天線，求解其最佳激勵，合理設計波束合成網絡，形成了期望的合成波束。計算仿真結果表明，天線增益高、阻抗特性好。通過6個固定掃描角的高增益波束，實現了天線輻射方向的寬波束覆蓋，滿足特定方向上的短波通信要求。該天線陣分析和設計方法，能為任意方向上高增益、駐波比小、波束覆蓋的短波通信相控陣天線設計提供借鑒作用。

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A research on the short wave phased array antenna

QIN Jin-ping1，SHIWei2，WANG Hua-xu1，SHIHai-dong2
(1.Navy North Sea Fleet Command，Qingdao 266071，China;2.Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

Based on the horizontal cophased shortwave antenna，a shortwave phased planar array is designed.The planar array is a rectangular grid array antenna.It uses(4(4）half-wave vibrators for radiation unit.By changing the phase shift amount of feed network of antenna array，the beam direction of antenna array is changed，so the horizontal cophased antenna is built.Thorough mathematical analysis the best excitation signal of radiation unit of the planar array has calculated.The result of calculation and simulation shows that the planar array has good impedance characteristics and radiation characteristics.It meets the requirements for shortwave directional communications and has the higher application value.

horizontal cophased antenna;phased array antenna;antenna pattern

TN821+.8

A

1672－7649(2014）05－0116－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.024

2013－12－10;

2014－02－25

秦晉平(1964－），男，高級工程師，主要研究方向為無線電通信工程與設計。