共形陣列天線及特定波束陣列天線的分析

陳超 喻肇川

摘 要：作為重要的天線技術，共形陣列天線取得了快速發展。基于這種認識，本文在分析共形陣列天線基礎概念和布陣結構特點的基礎上，本文對特定波束陣列天線設計和實現問題展開了分析，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：共形陣列天線;特定波束陣列天線;微帶天線

引言：

共形陣列天線為天線表面與平臺外形吻合的天線，具有較強的波束指向性，同時波束形狀能夠快速變化，可以輕松形成多個波束，在空間上實現信號功率合成。所以在雷達、導航、電子戰和通信等領域，共形陣列天線得到了廣泛使用。而在特殊工程領域，還要采用特定波束陣列天線。因此，還要加強對共形陣列天線及特定波束陣列天線的研究。

1共形陣列天線分析

1.1基礎概念

在無線通信系統中，天線為重要的部件，性能好壞將給整個通信系統性能帶來影響。在工程應用中，一般天性需要由較高的增益，同時具有波束控制或掃描特性。陣列天線為采用天線陣元進行布局的天線系統，可以劃分為平面陣、直線陣和共形陣。相較于平面陣，共形陣的單元天線緊貼非平面結構，能夠滿足工程設計節省空間、隱身等需求[1]。在寬角度掃描和方位面全向覆蓋方面，共形陣優勢顯著。在現代通信工程建設中，需要利用不同形式波束進行不同通訊需求的覆蓋。比如在基站建設方面，就需要采用圓柱共形陣或圓環共形陣，以便利用全向覆蓋的波束和多個波束實現方位面全方位覆蓋。

1.2布陣結構

相較于平面陣列，共形陣的結構比較復雜。通常的情況下，平面陣列天線波束掃描角度在60°到70°之間，將受到波束展寬的限制，造成天線增益下降。而在寬角掃描的過程中，受互耦影響，陣列單元阻抗將發生變化，造成大掃描失配嚴重，繼而導致天線增益下降。在平面陣掃描角達到75°時，損失的增益將達到5.9dB。而在共形陣中，波束掃描和互耦引起的增益損失較低。在進行全空域波束覆蓋時，需要利用半球形曲面共形陣。該種線陣輻射單元在平滑半球面上，理想情況下可以與球面彎曲度吻合。如果掃描區內的波束變化連續，可以適當增大單元間距，但要求陣元擁有曲面共形結構，確保在口面積相同條件下設置更多的單元。從結構上來看，共形陣可以由多個小平面構成，各平面包含一個或幾個輻射單元，形狀與小平面吻合，以得到近似曲面的陣面。現階段，在共形陣列天線研制方面，開始使用毫米波的微帶天線。該種天線使用的介質采用具有體積小、重量輕和易共形的特點，能夠使陣列結構設計問題得到解決[2]。但就目前來看，采用該種微帶天線，將遭遇表面波損耗嚴重的問題，同時也存在饋線損耗和互耦損耗。因此想要完成特定波束陣列天線的設計，還要加強對各種損耗的控制。

2特定波束陣列天線分析

2.1天線設計

通過上述分析可以發現，陣列天線輻射特性取決陣元結構、排列、數目、電流相位分布等各種因素，想要得到特定波束的陣列天線，還要使幾個單元以等幅同相方式進行組陣，此時最大輻射往往在微帶基板正上方。結合這一思路，可以選擇2.25GHz±5MHz的工作頻率，天線增益≥10dB，輸入阻抗50Ω，長×寬為340mm×80mm，電壓駐波比≤2，采取線極化方式，最大輻射方向偏離陣列平面法線10°。在此基礎上，需要對天線的各種損耗進行確認。針對并饋系統，饋線損耗取決介質厚度和工作頻率，30-300GHz頻段范圍內，每個波長內的微帶線損耗在0.1-0.2dB范圍內。此外，在天線間互耦損耗超出20dB時，天線性能將受到較大影響，甚至出現覆蓋盲區，導致共形天線形狀歲母體變化。因此在天線研制時，還要對這些問題進行考慮。

2.2天線實現

在具體實現天線時，可以利用一維直線陣為基礎框架，將“E”型貼片作為陣列單元，采用貼片邊緣開槽方式減小單元尺寸，使單元天線與饋線相互匹配。“E”型貼片為利用微帶天線理論制作的貼片，在介質基板上添加則能構成天線。在微帶線等饋電的作用下，貼片與接地板間可以產生磁場，并通過二者的縫隙向外輻射。采用的介質基板為聚四氟乙烯板子，厚度為1mm，介電常數為2.65。而一個微帶單元增益約6dB，構成的四元陣增益約12dB，去除損耗可以達到11dB，滿足指標要求。考慮到最大輻射方向與面法線成10°，還要采用兩級一分二T型功分器給予各單元適合幅度比和相位差，以實現方向圖偏轉。采用Ansoft HFSS軟件進行仿真分析，確定天線單元電性能可以發現，在2.24-2.26GHz頻段內，單元天線駐波比≤1.5，增益達到10.6dB，可以滿足設計要求，如圖1所示。由此可見，在設計特定波束陣列天線時，利用“E”型微帶貼片為陣列單元，通過合理選擇單元數目和給予適合相位、幅度，能夠使天線增益和方向圖形式滿足要求。

結論：

通過研究可以發現，相較于平面陣，共形陣在天線口徑、寬角掃描和波束覆蓋方面都具有較大優勢，所以能夠在軍事和工程領域得到廣泛應用。而加強對共形陣列天線的研究，結合天線布陣結構特點進行特定波束陣列天線的設計，則能獲得增益和方向圖形式都能滿足要求的天線，繼而更好的進行共形陣列天線的推廣應用。

參考文獻：

[1]伏浩，李小浩，李會蓮.共形相控陣天線的技術研究[J].大眾科技，2014，16（08）：23-26.

[2]李海林，周建江，譚靜等.基于MOPSO算法的衛星共形陣列天線多波束形成[J].數據采集與處理，2014，29（03）：415-420.