二維寬帶寬角掃描相控陣天線分析

葛朝鋒

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林 541001）

二維相控陣雷達被人們廣泛的應用在民用和軍事設備中，二維有源相控陣雷達是一個十分重要的發展方向，伴隨現代科學技術對雷達新的需求以及數字集成電路、微波技術、信號技術的發展，二維有源相控陣雷達成為先進三坐標雷達的重要發展方向。寬帶寬掃描角在掃描的時候對陣列天線的設置有著較高的要求。在具體研究設定時候要充分研究天線單元、單元耦合和寬度角匹配問題。在具體分析的過程中要注重展現天線單元的有源方向圖。為此，文章在闡述相控陣天線原理的基礎上就二維寬帶寬角掃描相控陣天線網絡技術的應用要求和應用仿真設計問題進行探究。

1 相控陣天線的原理分析

相控陣天線由天線陣列、相位和幅度調制器共同組成，在具體實施操作的時候能夠借助波束系統來控制天線操作單元和信號設定情況，并在設置的過程中改變陣列口徑的照射函數，根據整個系統的運作需要來整合資源力量形成波束掃描陣列系統。

相控陣列天線由天線陣列、相位、幅度控制器、計算機系統、波束控制系統組成。天線作為系統空間電磁波和系統信號轉換器，在使用的時候描述了天線輻射空間的主要控制電磁波，在特定的空間范圍內會形成波束快速掃描能力。

2 寬帶寬角掃描相控陣天線的網絡技術要求

針對研究制作的二維寬帶掃描相控陣天線陣列模式，饋電網絡系統中的功分網絡在設計的時候要著重做好以下幾個方面的工作：第一，提升網絡信息的傳輸效率。在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中，系統中的線路使用損耗直接影響寬帶寬角掃描相控陣天線的傳輸速率，這種損耗具體體現在能耗的吸收和能耗的重新分配處理。損耗的吸收一般是指在周圍導體電阻作用下，歐姆傳輸線使用所引起的介質損耗。第二，較寬的頻帶設置。在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時候為了能夠增強各個天線系統使用的抗干擾性，需要將寬帶寬角掃描相控陣天線設置的寬敞一些，并為寬帶寬角掃描相控陣天線的設計提供足夠的寬帶支持。第三，幅相一致性良好。寬帶寬角掃描相控陣天線網絡系統中的移相器會具備相同的相移量，衰減器在保證同等衰減量的情況下能夠為各個支路的運作提供重要的支持，從而能夠有效規避因為各個支路幅相不一致所引起的天線波束位移問題。

3 寬帶寬角掃描相控陣天線陣列的分析和設計

3.1 天線陣列的結構形式和尺寸大小

在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時候需要嚴格遵循天線陣元布置標準，按照整個項目規定的指標來設定平臺的尺寸大小。在具體實施操作的時候為了能夠保證平臺的設計滿足規范的標準，需要結合實際來制定出規范的標準，在標準的約束和規范下對寬帶寬角掃描相控陣天線進行布局設計。按照整個項目指標的設定要求進行平臺的設計。為了能夠統一天線高增益波束和波束二維寬角掃描指標的科學，寬帶寬角掃描相控陣天線在排列的時候需要設計成6x6的矩陣柵格偵查，為每個天線陣元的設計提供足夠的電力支持。

3.2 相控陣天線的波位配置

所設計的相控陣天線采用數字移相器來進行移位控制，數字移相器的相位會按照一定的步進量發生躍變，所以陣列天線饋電的相位分布是離散的。這樣陣列的天線波束掃描具備離散性的屬性。

相控陣天線掃描波位在掃描范圍內的分布情況直接影響相控陣系統信號處理性能和能量資源優化。波束躍度比較小，在使用的時候能夠減少小天線波束形狀造成的調制損失。對相控陣天線波位配置的目的是在相控陣天線性能損失和數據處理能力之間選擇一種最優解。

4 二維寬帶寬角掃描天線陣面設計

4.1 寬帶寬角掃描天線陣面單元天線

對寬帶寬角掃描陣列天線的研究是一個熱門問題，寬帶寬角掃描陣列天線研究的關鍵是陣列單元的選取。按照寬帶寬角掃描陣列天線技術要求，天線陣元需要選擇阻抗頻帶寬，方向圖波瓣的寬度較大的天線單元。

VivaLdi天線是一種按照曲線漸變的開槽天線，整個天線在設計的時候擁有極大的阻抗頻帶，十分適合用作相控陣天線輻射單元。文章采用帶狀線-槽線的饋電結構來設計VivaIdi單元天線，天線結構由兩層介質構成，饋電線位于兩個介質層之間，介質層的兩邊為指數漸變的輻射槽縫。介質板的介電常數為2.55，厚度為0.5mm。

寬帶寬角掃描相控陣天線的最上部分介質基板會牽扯到各個支路端口，具體涉及到的內容有階梯狀的金屬圓柱探針、中心饋線端口、中心饋線支持下的饋電端口加載容性圓盤、波導同軸上部分腔體的金屬壁、下介質基礎板、各個支路端口。在具體設計的時候，寬帶寬角掃描相控陣天線上下介質基礎板之間的電力介質常數在2.65左右。

4.2 寬帶寬角掃描天線陣面的陳列設計

小型陳列天線的設計對雷達天線的控制和大型陣列布置發揮出了十分重要的作用，小型陣列分析主要會涉及到陣列單元間互耦影響下中心單元的輻射特性和有源反射系數特性。考慮到單元之間距離越遠，互耦效應越小，陣列邊緣單元天線對中心單元的影響比較小。一般情況下，設計中心單元距離陣列邊緣兩個到三個波長的小型陣列能夠獲得模擬大型陣列天線的性能特性。利用AnsoftHFSS軟件仿真優化計算得出的基本參數，其中通過改變振子的長度和寬度來調節VivaLdi天線陣的頻率變化，通過改變饋電點的位置可以調節VivaLdi天線的阻抗匹配。最后確定優化后的天線單元體積小、結構簡單，其寬度為21mm，高度為22mm。

4.3 互耦及陣列掃描特征分析

為了保證小陣能模擬陳列環境，選取11x11的小陣來模擬，從整個工程建設角度來看，在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中通過使用小陣試驗能夠直接測量出各個單元的耦合系數，從而更為全面的了解整個系統運作的增益變化，了解VivaLdi天線的掃描特性。在計算分析的時候通過CST仿真軟件進行計算分析，在cst中對61號單元饋電提取出適合的耦合系數，進而編程計算出陣列中心單元的掃描特性。經過仿真計算當有源駐波≤3的時候，即有源反射系數為0.5的時候能夠獲得陣列在H面可以掃描到±85度，存E面可以掃描到±80度，滿足指標要求，且在頻帶內中心單元無源駐波在1.2以下，可以添加寄生柱后不僅拓展了E面波瓣寬度，而且也會由此減少了單元間的耦合影響。

4.4 小陣試驗

大型陣列中，絕大部分單元特征表現為陣列中心單元特性，整個中心單元的掃描特性能夠代表天線陣列掃描特性，使用小陣試驗的方式能夠預計陣列天線的掃描特性，避免了計算單元之間互耦所需的復雜編程。工程上會采用這種方式來開展陣列天線的設計，在設計的時候需要保證陣列天線的尺寸在5波長到6波長之間。在增益下降不超過3db基礎上，整個陣列H免災6GHz最大能夠掃描47度，H面在8GHz最大能夠掃描80.4度，H面在10GHz最大能夠掃描78度，H面在12GHz最大能夠掃描83.4度。由此也充分證明，寬帶寬角掃描相控陣天線的運作頻率越高，在陣列增益下降到一定比值的時候，最大掃描角度也不一定會變小。

5 結束語

綜上所述，對每個單元的耦合系數進行綜合測試，在測試完成之后進行編程計算，經過一系列地基計算獲得陣列掃描特性曲線，從中可以發現在有源駐波≤3的時候，即有源反射系數為0.5的時候，陣列在H面就能夠掃描到±75度，在E面能夠掃描到±70度，由此滿足了方案指標要求，增大了掃描范圍。經過一系列的分析設計出了寬帶寬角二維天線單元，整個測試理論和實踐測量結果比較精準，從而驗證了設計的精準性。