基于二元交替激勵的一維線陣控制方法

趙 駿，李 蔚

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.國防科技大學電子科學與工程學院，長沙410073）

在通信、雷達等領域，陣列天線因為方向圖靈活可調控而得到了越來越廣泛的運用。通過對離散陣列天線各天線單元的間距、激勵幅度和相位進行調整，可滿足不同的方向性需要，用以形成特定的方向圖、實現掃描或其他特殊性能。由方向圖乘積定理[1]可知，天線陣的方向性函數D(θ,φ)可以表示為單元天線方向性函數f(θ,φ)和陣因子方向性函數F(θ,φ)的乘積：

式中，陣因子方向函數F(θ,φ)是陣中各天線元的位置、激勵電流幅度和相位的函數。假設天線陣中各個天線元互相間的耦合很小，可以忽略不計，則所有陣元應該具有相同的方向性函數。因此，在陣元已經選定的情況下，要控制整個天線陣的方向圖，只要合理地調控陣因子的方向性函數即可。

1 方向圖電控制

由于單一天線的方向圖形式單一，且無法通過控制衰減和相位隨意改變其主瓣方向，因而難以實現對于天線方向圖的電控制。對此，可以采用多個陣元天線通過一定的相位、衰減組合，有效地克服該難題，實現對整體方向圖的電控制。方向圖電控制的優(yōu)勢在于：不需要天線本身進行機械上的運動，只需要調整各個陣元的相位與衰減，就可以實現對主瓣位置、主瓣方向以及天線增益等各方面的調整。

方向圖電控制可以用于調控陣列天線主瓣出現的位置及幅度。由于陣列天線整體長度相對于介質內波長較長，若將陣列天線發(fā)射出的微波信號作為觀測方所觀測到的一個目標，則其主瓣出現位置的不同將可以模擬目標在角度上的變化情況。

目前，對陣列天線的研究較為成熟，對于各個不同波段的陣列天線方向圖的控制都產生了一些不錯的方法[2-4]。由于陣列天線的各陣元間距離普遍較近，而陣元數又眾多，多個陣元天線相互間的耦合是必然存在的。而互耦的計算十分繁瑣，在許多理論計算及設計中都將其忽略，這樣做帶來的影響則是實驗數據與仿真結果不一致，甚至存在較大偏差。之后，也出現了將陣列天線中的基本單元二元陣作為研究重點來研究陣列天線整體特性的方法[5-6]。以下將探究根據陣元的位置，每次只讓相鄰的2個陣元工作，即二元陣交替激勵來調整整個陣列天線的方向圖的方法，及其在簡化運算、減小理論設計與實驗數據差異等方面的有效性與可行性。

2 陣列天線方向圖調控方法設計

2.1 陣列天線的構成

選取矩形微帶貼片天線作為陣元天線，微波頻段為X波段，波長λ為厘米級。關于微帶貼片天線的設計，在特定的波段有特定的方法[7-11]。根據文獻[12]的闡述，為了保持饋電的穩(wěn)定性以及有效地調控多次諧波，將矩形微帶天線的長和寬均設計為0.49λ ≈λ/2，則有其H 面的歸一化方向性函數為[13]

其H 面的歸一化方向圖如圖1所示。

圖1 矩形微帶貼片天線H 面的歸一化方向圖Fig.1 Rectangular microstrip patch antenna H normalized pattern

由于該矩形微帶天線的長和寬均為λ 2，為了減小耦合的影響，適當選取各陣元之間的間距L。又考慮到間距L 與波長λ的比值會直接影響陣因子方向圖，因而折衷選取間距L 與波長λ的比值為1.562 5。此時，若激勵幅度與相位均相同，則根據方向圖乘積定理，得到二元陣的H 面歸一化方向圖，如圖2所示。

圖2 激勵幅度與相位相同時二元陣H 面歸一化方向圖Fig.2 Binary antenna H normalized pattern while the amplitude and phase of excitation are the same

將這樣的微帶貼片天線按照間距L 在一條直線上進行排列，構成陣列天線如圖3所示，其方向圖由相鄰的2個陣元形成的二元陣交替工作形成。

2.2 陣列天線方向圖調控方法的設計

該由二元陣交替激勵組成的陣列天線，要測試其對天線方向圖的調控能力，可以采用等幅掃描的方法，即控制陣列天線的方向圖主瓣位置在天線陣所在直線上移動，且主瓣最大幅度保持不變。

設定接收測試點在陣列天線的法線上距離天線長度為R，由于二元陣的間距L相比于R很小，令L/R=tan α ≈α=0.017 5 rad=1°，其中α為觀測角（例如L=50 mm時，R=2 850 mm）。則從接收測試點看來，1個二元陣所占的角度約為1°。

如把每個二元陣等分為10段，則在二元陣上得到11個端點。設二元陣的激勵信號功率為P，經過3 dB功分器平均分配給2個陣元天線，則每個陣元的初始輸出功率為P-3（dBm），通過衰減器控制2個陣元天線的衰減量分別為A1和A2，則在天線匹配的情況下，總輻射功率為

要實現等幅掃描，就要使總輻射功率始終相同。其中主瓣落在一個陣元上時，總輻射功率為P-3，以此為標準有：

要控制二元陣方向圖的主瓣在這些端點上等幅移動，可設置11組陣元天線激勵的相對衰減，見表1。

表1 陣元激勵相對衰減Tab.1 Relative attenuation of antenna units

3 數值結果

為了驗證基于二元陣交替激勵的陣列天線方向圖調控方法的可行性，用10個陣元天線組成了長度為9L的陣列天線。在陣列天線的法線上距離天線長度為R的接收測試點上接收天線輻射信號，運用表1中的激勵衰減量，并保持激勵相位的一致，測出天線的方向圖數據。運用軟件對實驗數據和理論仿真作圖進行比較，可以得到實際效果與理論推導的偏差。在1個二元陣單元中，根據方向圖主瓣的移動已把二元陣在陣列天線的軸向上分為10 段共11個端點，由于對稱性只須對一側的6個端點的情況進行分析即可，從二元陣中點到端點的理論與實驗結果H 面歸一化方向圖分別如圖4中a）～f）所示。由圖4可以看出，實驗數據得出的H 面歸一化方向圖中主瓣位置與理論推導較為一致，副瓣電平也與理論推導大致相同。不同的是實際實驗中，方向圖的0°與180°方向上出現了很小的旁瓣，這也是微波天線實驗中經常遇到的現象，主要是由于天線本身方向性的不完美造成的。另外，實驗所得的方向圖的形狀與理論推導的略微不同，但是都在可以接受的范圍之內。主瓣在不同位置時接收點測得的最大功率即主瓣的最大功率分別為-43.1 dBm、-43.6 dBm、-45.2 dBm、-43.7 dBm、-42.8 dBm和-44.9 dBm。顯然，運用該方法可實現在1個二元陣中的等幅掃描。

圖4 理論與實驗H 面歸一化方向圖比較Fig.4 Comparison of H normalized pattern in theory and experiment

當不同二元陣交替激勵時，主瓣位置從1個二元陣過渡到另1個相鄰的二元陣上。通過與上述類似的主瓣最大功率的測量，經實驗數據驗證得出主瓣是等幅移動的，而天線方向圖則是以二元陣為單位進行類周期性的變化。其中在9個長度為L的二元陣中最具有代表性的主瓣在中點時的H 面歸一化方向圖依次如圖5中各圖所示。

圖5 各二元陣中點H 面歸一化方向圖Fig.5 H normalized pattern in each binary antenna

4 結論

本文從二元陣的結構及方向圖入手，結合公式推導，得出了一種基于二元陣交替激勵的陣列天線方向圖調控方法。并通過實際測試得到陣列天線的方向圖數據，運用軟件得出其各個狀態(tài)下的方向圖，與理論推導的情況有較高的吻合度，證明了該種方法在控制陣列天線的方向圖方面的可行性。另外，由于采取二元陣交替激勵的方法，有效地降低了運算難度，并較為有效地避免了陣元之間的互耦。另一方面，此種方法在個別位置略微降低了天線方向圖的尖銳度，產生了一定的副瓣，并不適合于對方向圖的定向性有很高要求的情況，這是需要進一步深入研究的一個問題。

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