幅相一致性對(duì)相控陣天線方向圖影響的仿真研究

靖紅軍

摘 要：本研究仿真分析了相控陣天線幅相一致性對(duì)天線方向圖性能的影響。對(duì)于工作頻率為10GHz16個(gè)單元的線陣相控陣天線，相位波動(dòng)對(duì)波束指向的影響較大而幅度波動(dòng)無影響，第一副瓣電平隨著幅度和相位波動(dòng)增加都升高且相位的影響明顯更大，3dB寬度也隨著幅度和相位波動(dòng)的加大而擴(kuò)大，而且在波束指向偏離法向時(shí)也是明顯增加，此時(shí)第一副瓣電平則出現(xiàn)下降。分析結(jié)果表明，相位波動(dòng)在天線方向圖波束指向、第一副瓣電平和3dB寬度等性能的影響上都更為顯著。

關(guān)鍵詞：波動(dòng) 波束指向 第一副瓣電平 3dB寬度 相控陣天線

中圖分類號(hào)：TN821.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（c）-0001-03

相控陣?yán)走_(dá)天線通常需要具有準(zhǔn)確指向的波束掃描，低副瓣，窄波束寬度等特性。在實(shí)際的研究和生產(chǎn)過程中，由于各種元器件在結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝誤差等方面并非絕對(duì)一致，線纜長度、傳輸損耗、接頭連接也不可能完全相同，前端組件饋入相控陣天線單元的微波信號(hào)也存在功率和相位上的差異和起伏，因此，各天線單元所產(chǎn)生的信號(hào)在幅度和相位上難以絕對(duì)一致。這些幅度和相位的不一致性最終會(huì)影響到相控陣天線的方向圖上，降低天線的實(shí)際性能[1]。即使采用前沿的光實(shí)時(shí)延技術(shù)的光控相控陣天線也會(huì)存在延時(shí)誤差，影響天線性能[2]。

本研究通過仿真分析，研究線陣相控陣天線在信號(hào)幅度和相位產(chǎn)生波動(dòng)的情況下，波動(dòng)大?。?biāo)準(zhǔn)差）對(duì)天線方向圖性能的影響大小及變化規(guī)律，包括掃描波束的指向、第一副瓣電平和波束的3dB寬度。

通過仿真，可以了解幅度、相位、波束掃描等各種因素對(duì)天線方向圖性能的具體影響及大小，從而為相控陣天線的設(shè)計(jì)和指標(biāo)論證，以及實(shí)際相控陣天線方向圖性能的評(píng)估和分析提供一個(gè)參考和可靠的依據(jù)。

1 相控陣天線

設(shè)線性相控陣天線陣由N個(gè)天線單元組成，天線單元間距為d，天線單元發(fā)出微波信號(hào)的波長為，幅度加權(quán)為ai，相鄰單元之間的饋電相位差為。則線陣天線方向圖函數(shù)F（θ）可以表示為[3]：

（1）

實(shí)際工作中，假定相控陣天線單元幅度在均勻分布幅度A（dB）的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動(dòng)，幅度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為，相位（o）在特定相位差（特定波束指向下）基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動(dòng)，相位波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為。則有：

（2）

（3）

此時(shí)，線陣天線方向圖F（θ）可表示為：

（4）

當(dāng)0時(shí)，，就是天線波束的最大值指向?？傻锰炀€方向圖最大值（）的表達(dá)式為：

（5）

如果將線陣天線方向圖F（θ）表示為：

（6）

當(dāng)幅度和相位沒有波動(dòng)時(shí)，，若令，實(shí)際線陣中單元數(shù)目N較大，在天線波束指向最大值附近X較小，可得線陣的幅度方向圖為[3]：

（7）

此時(shí)，線陣天線方向圖的第一副瓣電平為[4]：

（8）

線陣天線方向圖的3dB寬度為：

（9）

在實(shí)際情況下，幅度和相位都存在波動(dòng)和起伏，，本研究主要仿真分析它們對(duì)相控陣天線方向圖的影響。

2 幅相一致性仿真分析

為了研究幅相一致性的影響，分別在幅度上附加一定的波動(dòng)、相位上附加一定的波動(dòng)、幅度相位都附加固定波動(dòng)后波束掃描，仿真方向圖性能的變化。為使仿真更加準(zhǔn)確，每種情況下都是在相同條件仿真20次后取平均值。

線陣相控陣天線的工作頻率f設(shè)為10GHz（波長為3cm），天線單元間距d設(shè)為0.75cm（），天線波束的掃描范圍為-60o～60o，天線形式為16個(gè)單元的線陣。

2.1 幅相一致性對(duì)天線波束指向的影響

當(dāng)天線單元幅度A（dB）、相位（o）波動(dòng)逐漸增大，以及波束掃描時(shí)，波束指向的變化如圖2所示。

由圖2可以看出，相控陣天線的單元幅度波動(dòng)對(duì)波束指向沒有任何影響；相位波動(dòng)對(duì)波束指向有明顯影響，且隨相位波動(dòng)范圍的增大對(duì)波束指向的影響也增大；在幅度相位波動(dòng)固定并進(jìn)行波束掃描時(shí)，不同指向下波動(dòng)對(duì)波束指向的影響基本相同。由式（5）可以知道，天線波束的指向僅與相位波動(dòng)相關(guān)，而與幅度波動(dòng)無關(guān)，這與仿真結(jié)果是完全一致的。

2.2 幅相一致性對(duì)第一副瓣電平的影響

當(dāng)天線單元幅度A（dB）、相位（o）波動(dòng)逐漸增大，以及波束掃描時(shí)，第一副瓣電平的變化如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，隨著幅度波動(dòng)范圍的擴(kuò)大，第一副瓣電平逐漸增大；第一副瓣電平隨著相位波動(dòng)范圍擴(kuò)大而顯著提高（提高幅度比幅度波動(dòng)的影響大一倍）；當(dāng)幅度和相位波動(dòng)范圍固定而波束掃描時(shí)，第一副瓣電平也出現(xiàn)起伏，而且當(dāng)掃描角度較大時(shí)（大于30o），第一副瓣電平開始下降。

由式（8）可以知道，在沒有幅度和相位波動(dòng)時(shí)，理想的第一副瓣電平為-13.465 dB，這與圖3（a）（b）基本一致。幅度影響主要表現(xiàn)為式（6）中的，相位影響主要表現(xiàn)為式（6）中的。對(duì)于幅度波動(dòng)，在1左右波動(dòng)，N個(gè)單元幅度均值變化不大，與理想情況較為接近，因此第一副瓣電平逐漸增大，但增大的幅度較小。對(duì)于相位波動(dòng)，都小于1，且隨著單元i的增大，越來越小，因此N個(gè)單元合成后，造成相控陣天線方向圖第一副瓣電平明顯上升。當(dāng)幅度和相位波動(dòng)固定時(shí)，第一副瓣電平在-9dB～-10dB之間波動(dòng)，在波束遠(yuǎn)離法向時(shí)第一副瓣電平出現(xiàn)下降是因?yàn)槟芰考械街靼晟稀?/p>

2.3 幅相一致性對(duì)3dB寬度的影響

當(dāng)天線單元幅度A（dB）、相位（o）波動(dòng)逐漸增大，以及波束掃描時(shí)，3dB寬度的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，幅度波動(dòng)增大會(huì)使波束的3dB寬度增大，但增大的幅度較?。▋H1o左右）；相位波動(dòng)會(huì)使波束的3dB寬度顯著增大（從12.7o增加到19.9o）；隨著波束指向偏離法向，3dB寬度也會(huì)明顯增加。仿真結(jié)果表明，相位波動(dòng)對(duì)波束3dB寬度的影響明顯比幅度波動(dòng)影響大。

由式（9）可以知道，在16個(gè)單元情況下，（o），因此隨著波束指向角的增大，減小，波束3dB寬度增大，這與仿真結(jié)果完全一致。同時(shí)，由于波束在偏離法向時(shí)，3dB寬度的增大，導(dǎo)致相控陣天線的能量更加集中在主瓣上，因此第一副瓣電平會(huì)有所下降，這與圖3（c）中的仿真結(jié)果完全一致。

3 結(jié)語

本研究通過分別施加不同的幅度波動(dòng)、相位波動(dòng)以及波束掃描，研究了不同情況下天線方向圖性能的變化特點(diǎn)和規(guī)律。仿真結(jié)果表明，隨著相位波動(dòng)的增大對(duì)波束指向的影響也增大，而幅度波動(dòng)對(duì)波束指向沒有影響；第一副瓣電平隨著幅度和相位波動(dòng)的加大都會(huì)升高，其中相位的影響明顯更大；幅度波動(dòng)對(duì)波束的3dB寬度影響較小，而相位波動(dòng)則會(huì)使3dB寬度顯著增加；隨著波束指向偏離法向，天線波束的3dB寬度也會(huì)明顯增加，這也使得第一副瓣電平在一定程度下降。研究表明，幅相一致性對(duì)相控陣天線的性能有明顯影響，其中相位的影響尤為顯著。這一研究結(jié)果有望對(duì)天線的設(shè)計(jì)及實(shí)際的調(diào)試測(cè)試工作提供一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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