一維相控陣研究小結(jié)

1、一維相控陣研究小結(jié) by 中測微格 研發(fā)部 20150828一維相控陣與單脈沖陣要求：1、工作頻率：34.635.4GHz 33.436 ka波段2、極化方式：右旋圓極化3、天線尺寸：300X100mm （厚度暫定為40mm）4、方位波束寬度：2度5、俯仰：共8條，要求正負30度角掃描（即100mm的方向，8行，每一行一個輸出口，8行作相控一維掃描）6、方位副瓣電平：不大于-24dB7、俯仰副瓣電平：不大于-15dB8、天線增益：要求29dB9、軸比：不大于3dB10、駐波比：不大于211、單脈沖陣：35.536GHz, 俯仰100mm的尺寸，在原有8條一維相掃陣的前提下，要求額外增加2排組成

2、天線陣，實現(xiàn)一維的方位和差預(yù)研問題：設(shè)計思路：相控陣由8行組成，總體增益指標(biāo)為29dB, 故需先研究1行的結(jié)構(gòu)形式，使其增益20dB, 并使其余指標(biāo)滿足上述需求。調(diào)研天線形式：綜述ka波段相控陣相關(guān)資料，波導(dǎo)縫隙天線具有高增益、高功率、低副瓣特點，故本方案選取基于波導(dǎo)縫隙理論的天線形式實現(xiàn)設(shè)計。圓極化產(chǎn)生機理：圓極化由相互垂直的兩個方向電場相差90°相位實現(xiàn)。故要么開縫隙交叉激勵成兩個相垂直方向的空間場，要么由縫隙線極化場經(jīng)極化轉(zhuǎn)換器形成圓極化。天線的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸：本方案選擇波導(dǎo)材料為8mm標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ320/WR28型，內(nèi)截面波導(dǎo)尺寸a=7.112mm,b=3.556,壁厚t=1

3、mm。結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時，取中心頻率f=35GHz計算, 可計算工作波長lmd=8.57mm,波導(dǎo)波長lmdg=10.74mm。結(jié)合指標(biāo)設(shè)計要求方位波束寬度2°，可計算出線陣長度L=51/HP*lmd219mm。為保證各單元的激勵同相，取縫隙間距d=lmdg/2，(其中d=0.6265lmd)可知陣元個數(shù)為N=L/d40?？p隙長度初始值取lmd/2,寬度參考文獻取w=0.4mm。饋電方式：波端口激勵、對稱饋電，為實現(xiàn)較高帶寬，擬設(shè)計功分器，利用功分器對陣元分節(jié)饋電。圖1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程：1、線陣：前期嘗試經(jīng)驗表明，僅是依靠在單根波導(dǎo)上開交叉縫隙實現(xiàn)圓極化的方案增益很難達到要求，因

4、此本文采用縫隙線極化+波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換器形成圓極化的思路，同時，波導(dǎo)極化器的尺寸（a_p×b_p×h_p）受截止頻率和設(shè)計要求間距尺寸雙向制約。即要求da_pb_plmd/2。本文采用的模型結(jié)構(gòu)如圖2：（a） 俯視圖（b） 側(cè)視圖圖2 縫隙激勵接極化器模型結(jié)構(gòu)圖因極化波導(dǎo)尺寸制約，選擇寬邊開縱縫形式；極化波導(dǎo)與縫隙成45°夾角。方位副瓣抑制：利用切比雪夫陣列綜合或泰勒綜合方法，計算出滿足副瓣要求的陣元理論電流分布。由寬邊縱縫的導(dǎo)納公式，計算各單元縱縫的偏移量pxi。軸比：由極化波導(dǎo)尺寸決定。極化波導(dǎo)寬窄邊a_p，b_p確定后，可通過調(diào)節(jié)高度h_p和旋轉(zhuǎn)角度來修正軸比。

5、APDS優(yōu)化：前期設(shè)計都是各個部件分開設(shè)計與嘗試性優(yōu)化，陣列綜合采用理論公式推算而未考慮互耦、極化波導(dǎo)等各種次要因素的影響。接下類采用我公司的APDS并行云計算優(yōu)化系統(tǒng)，以前期的設(shè)計結(jié)構(gòu)為初始值，進一步在完整環(huán)境下優(yōu)化模型各結(jié)構(gòu)尺寸，使獲得最佳性能。階段建模成果如下：圖3 天線增益f=35G圖4 天線軸比f=35G圖5 天線3D方向圖 f=35G線陣小結(jié)：副瓣電平目前為-19dB，需通過APDS進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸以使獲得更佳效果。駐波需考慮匹配。帶寬的拓寬考慮結(jié)合功分器對線陣分節(jié)饋電。2、和差器單脈沖陣的和差器采用雙層魔T結(jié)構(gòu)如圖6。和網(wǎng)絡(luò)在上層，通過內(nèi)置銷釘改善駐波；差網(wǎng)絡(luò)在下層，通過縫隙耦

6、合使輸出端口1和輸出端口2等幅反相，調(diào)節(jié)縫隙位置、結(jié)構(gòu)尺寸并利用金屬階梯改善駐波。和差器分別產(chǎn)生在兩輸出端口的相位見圖7。（a） 俯視圖（b） 側(cè)視圖圖6 雙層魔T結(jié)構(gòu)圖7 端口相位圖8 和差端口反射系數(shù)圖9 和差端口隔離度和差器小結(jié)：本方案模型能實現(xiàn)信號和差功能，具有良好的隔離度，和端口反射系數(shù)較好，差端口反射系數(shù)需進一步優(yōu)化匹配。3、功分器功分器設(shè)計采用波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)合金屬階梯匹配的形式，擬將線陣天線分為4節(jié)，分節(jié)饋電。功分器結(jié)構(gòu)如圖10所示，S參數(shù)性能見圖11。4個輸出端口較輸入衰減6dB,較好的實現(xiàn)一分四等分功能。（a） 側(cè)視圖（b） 正視圖圖10 功分器結(jié)構(gòu)圖11 功分器S參數(shù)下階段

7、展望：1、 優(yōu)化和差網(wǎng)絡(luò)使差端口實現(xiàn)寬帶匹配。2、 進一步通過APDS軟件優(yōu)化，降低方位副瓣電平，并綜合優(yōu)化天線整體性能。3、 將功分器和線陣結(jié)合，在線陣輻射波導(dǎo)內(nèi)引入匹配網(wǎng)絡(luò)，拓展帶寬。4、 大規(guī)模組陣，全變量優(yōu)化相控陣性能。5、 優(yōu)化單脈沖天線結(jié)構(gòu)及性能。參考資料：1圓極化波導(dǎo)縫隙天線研究_劉巍2波導(dǎo)縫隙天線極化特性分析與關(guān)鍵技術(shù)研究_李曉川3Ka波段波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計與分析_張念啟4Ka波段圓極化單脈沖天線_劉偉5 相控陣天線手冊6 天線手冊, 等附-前期嘗試：首先，研究了波導(dǎo)激勵下的內(nèi)部表面電流分布，如圖12：圖12 波導(dǎo)內(nèi)表面分布圖之后研究了開單個縫隙單元的增益，約為5dB,基本與文獻3所述吻合。然文獻3研究對象為線極化天線。于是結(jié)合文獻1、2、4本文研究了右旋圓極化的實現(xiàn)形式：·十字縫隙（模型增益較低，圓極化軸比需研究改善方法）試驗?zāi)Ｐ筒▽?dǎo)長取10個波導(dǎo)波長，為107.4mm，開槽及內(nèi)表面電流分布如圖13所示。然而此種模型增益較低，如圖14。圖13 十字縫隙模型A及內(nèi)表面電流分布圖14 模型A的增益·分離“人”字縫隙（可實現(xiàn)圓極化，增益不高）圖15 分離“人”字縫隙模型B及內(nèi)表面電流分布圖16 模型B的增益·縫隙+喇叭極化（增益提高顯著，但受限于結(jié)構(gòu)尺寸選取d=lm