16×16多波束相控陣天線的設計

摘要 介紹了一種新型256元的Ka波段圓極化貼片天線陣列。該天線陣具有多波束掃描、掃描范圍廣等特點。利用切比雪夫加權(quán)方式，實現(xiàn)多種波束的多狀態(tài)掃描。設計結(jié)果表明，在中心頻率31GHz處，掃描范圍可達到±40°，波束寬度可控。
關(guān)鍵詞 相控陣天線；多狀態(tài)掃描；多波束

    目前，相控陣技術(shù)的應用在民用雷達、衛(wèi)星通訊、環(huán)境與資源技術(shù)、工業(yè)無損檢測以及軍事等領(lǐng)域到了廣泛的使用。隨著雷達觀測目標種類的增多，要求雷達測量的目標參數(shù)不斷增加，并提高雷達電子對抗能力及目標識別能力，寬帶相控陣雷達、有源相控陣雷達、數(shù)字相控陣雷達、多波段綜合一體化相控陣雷達，成為當今相控陣技術(shù)發(fā)展的重要方向。大多數(shù)相控陣天線實現(xiàn)的目標都是體積小、重量輕、共形等
問題。較少針對高頻、大功率，尤其是多波束、多狀態(tài)掃描進行討論。本文針對這一現(xiàn)狀提出一種相控陣天線模型，該模型利用圓極化微帶天線排列成16×16的方形平面陣列，此陣列具有工作頻率高，實現(xiàn)增益大，掃描范圍廣的特點。

1 加權(quán)方式和相位掃描
1．1 道爾夫-切比雪夫加權(quán)
    在相控陣天線的設計中，能降低副瓣電平的遞減分布具有實際意義。然而副瓣電平和主瓣寬度是矛盾的，能在副瓣電平和主瓣寬度間進行最優(yōu)折中的是道爾夫一切比雪夫分布陣。為此，充分利用切比雪夫多項式的有用特性。切比雪夫多項式是如下的二階微分方程的解
   
    則此式的解可寫成
   
    其特性表明當m是整數(shù)時，Tm(x)在|x|<1的范圍內(nèi)是正弦振蕩函數(shù)，然后在|x|>1范圍內(nèi)以雙曲線型上升。如果能使Tm(x)的一段和陣因子相對應，就能得到一個等副瓣的方向圖。于是利用C語言編程，利用切比雪夫加權(quán)方式計算出各陣因子的電流幅度，直接加權(quán)。
1．2 相位分布和波束掃描
    如果電流分布是可分離的，此時陣因子可表示為
   
    其中
   
    這就是說αx和αy分別為口徑分布在x方向和y方向的均勻底邊相位。當波束掃描進行時，方向和方向的相位差都不為零，此時在陣列法線方向各單元輻射場不再是同相疊加，而是在偏離法線某一方向θ上由于各單元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移，各單元的輻射場變?yōu)橥喁B加，因而使θ成為最大輻射方向。
    在編程時考慮了相位分布，使最后的參數(shù)矩陣包含相位因子，直接施之于陣列之上，完成相位的分布和波束的掃描。

2 天線單元設計
    該陣列的天線單元采用微帶結(jié)構(gòu)，通過在貼片對角線E進行切角實現(xiàn)圓極化。采用50 Ω同軸探針進行饋電，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.1。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，貼片尺寸3．1 mm×3．1 mm，對角切角為腰長0．44 mm的等腰三角形，饋電點距圓心0．69mm。如圖2所示，該單元工作頻率31GHz，工作帶寬達到6．4％。

    圖3是31 GHz處天線單元的二維增益方向圖，由仿真計算結(jié)果可知，31 GHz處天線單元的增益約為7 dB，3 dB波束寬度為88°。31 GHz處天線單元的軸比曲線如圖4所示。在(-60°，60°)范圍內(nèi)<3 dB。

3 相控陣陣列的設計
    采用16×16的方形平面組陣方式，陣元間距為5．28 mm，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)最窄波束情況下，通過控制輻射單元的饋電實現(xiàn)可控多種波束多狀態(tài)掃描。本文利用Ansoft HFSS軟件對天線陣進行仿真，采用自定義陣列模式，陣列的相位權(quán)值在幾何文件中一一定義。

4 仿真結(jié)果
4．1 切比雪夫加權(quán)方式加權(quán)
    圖5為陣元達到256個的時候，陣列的單相掃描方向圖。如圖所示，單相掃描角可以達到40°，此時增益達到22 dB，波束寬度為9．36°，副瓣28．6 dB。

    圖6為雙相掃描進行時的方向圖。此時掃描角為36°×51°，增益基本不變，副瓣降低至40 dB以下，波束寬度達到8．5°×12．5°。

    為了達到多波束掃描，得到更寬的波束，在原陣基礎(chǔ)上，利用發(fā)射／接收組件控制陣元饋電，減少陣元，只取8×8的陣列進行饋電，間距不變，掃描結(jié)果如圖7所示，掃描角基本不變36°×48°，增益降低，波束寬度展寬至18．7°×26．8°，副瓣升高。

    為了降低副瓣，對12×12的單元進行饋電，間距仍然不變，如圖8所示，此時的掃描角為36°×51°，增益升高同時波束寬度達到12°× 17°，但副瓣可降至40 dB以下。
4．2 與泰勒加權(quán)比較
    等副瓣切比雪夫陣列的輻射特性很好，但其兩端單元的激勵電流幅度往往比其鄰單元的電流幅度大很多，這就對陣列的饋電造成困難。本文利用泰勒加權(quán)，得到方向圖只有靠近主瓣的前幾個副瓣的電平接近相等，隨后的各副瓣電平單調(diào)遞減。這里只對16×16的陣列進行加權(quán)得到掃描角39°，增益達到23．3 dB，波束寬度8．7°，副瓣20 dB，并沒有降低副瓣，但是副瓣確實呈現(xiàn)遞減趨勢。

5 結(jié)束語
    隨著相控陣天線在工程上的應用，相控陣技術(shù)成為未來電子對抗領(lǐng)域中主要技術(shù)發(fā)展方向，應用前景十分廣闊。文中所介紹的設計思路，天線陣元結(jié)構(gòu)、天線陣列結(jié)構(gòu)、掃描范圍波束寬度改變等技術(shù)，將會為以后的設計工作提供借鑒。