相控陣天線的基礎(chǔ)理論VIP

1、第二章 相控陣天線的基礎(chǔ)理論第二章 相控陣天線的基礎(chǔ)理論相控陣天線是從陣列天線發(fā)展起來的，主要依靠相位變化實現(xiàn)天線波束指向在空間的移動或掃描，亦稱電子掃描陣列（esa）天線。雖然用于相控陣雷達的相控陣天線有多種，但相控陣天線均是由多個天線單元，亦稱輻射器構(gòu)成的。天線單元可以是單個的波導(dǎo)喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等。在每個天線單元后端都設(shè)置有移相器，用來改變單元之間信號的相位關(guān)系，信號的幅度變化則通過功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)或者衰減器來實現(xiàn)。在掃描過程中，整個雷達不需要像采用普通陣列天線或者剖物面天線的雷達那樣進行機械運動，因此波束指向迅速靈活，且可以實現(xiàn)多波束并行工作，使得雷達具有很強的自適應(yīng)能

2、力。在相控陣天線的實際使用過程中，線性相控陣天線平面相控陣天線是較為常見的兩種形式。下面分別以這兩種形式為例，闡述相控陣天線掃描的基本原理。2.1 相控陣天線掃描的基本原理2.1.1 線性相控陣天線掃描的基本原理線性相控陣天線廣泛應(yīng)用于一維相控掃描的相控陣雷達中。根據(jù)基本的陣列類型，線性相控陣天線可以劃分為垂射陣列和端射陣列。垂射陣列最大輻射方向垂直于陣列軸向，天線波束在線陣法線方向左右兩側(cè)進行掃描。相反，端射陣列主瓣方向沿著陣列軸向。由于垂射陣應(yīng)用最為廣泛，因此主要討論垂射陣。圖2.1是一個由個天線單元組成的線性陣列原理圖，天線單元呈均勻排成一線，途中沿軸方向按等間距方式分布，天線單元間距為

3、。每一個天線單元的激勵電流為。每一單元輻射的電場強度與其激勵電流成正比。天線單元的方向圖函數(shù)用表示。圖 2.1 單元線性相控天線陣原理圖陣中第個天線單元在遠區(qū)產(chǎn)生的電場強度為： (2.1)式中，為第個天線單元輻射場強的比例常數(shù)，為第個天線單元至觀察點的距離，為第個天線單元的方向圖函數(shù)，為第個天線單元的激勵電流，可以表示成為： (2.2)式中，為幅度加權(quán)系數(shù)，為等間距線陣中，相鄰單元之間的饋電相位差，亦稱陣內(nèi)相移值。在線性傳播媒質(zhì)中，電磁場方程是線性方程，滿足疊加定理的條件。因此，在遠區(qū)觀察點處的總場強可以認為是線陣中個輻射單元在處輻射場強之和，因此有： (2.3)若各單元比例常數(shù)，各天線單元方

4、向圖相同，則總場強表示為： (2.4)假設(shè)觀察點距離天線陣足夠遠，則可認為各天線單元到該點的射線互相平行。根據(jù)遠場近似： (2.5)因為 (2.6)將(2.5)、(2.6)式帶入(2.4)式，總場強可進一步簡化為： ( (2.7)定義式(2.7)中為陣列因子，則該式說明了天線方向圖的一個重要定理乘法定理。即陣列天線方向圖函數(shù)等于天線單元方向圖函數(shù)與陣列因子的乘積。為了便于討論和易于理解線性相控陣天線掃描原理，通常將圖2.1簡化為圖2.2所示情況。假定天線單元方向圖足夠?qū)?，滿足全向性，在線陣天線波束掃描范圍內(nèi)，可忽略其影響時，線陣天線方向圖函數(shù)可表示為： (2.8)式中，為幅度加權(quán)系數(shù)，為相鄰單

5、元之間的饋電相位差，亦稱陣內(nèi)相移值,且，為天線波束最大指向。圖2.2 單元線性相控天線陣簡化圖令，它表示相鄰單元接收到來自方向信號的相位差，可稱為相鄰單元之間的空間相位差。若令，對均勻分布照射函數(shù)，可得：，由歐拉公式化簡得到： (2.9)對式(2.9)取絕對值，考慮到實際線陣中單元數(shù)目較大，在天線波束指向最大值附近較小。根據(jù)等價無窮小替換，故得到線陣的幅度方向圖函數(shù)為： (2.10)可見，線性相控陣天線方向圖函數(shù)是以辛格函數(shù)表示的。由此，可以得到線陣天線的基本性能。當(dāng)時，有最大值，。此時波束指向的表達式為： (2.11)由式(2.11)可知，通過改變陣內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值，即可改變天線波

6、束最大值指向。而是通過每個天線單元后端設(shè)置的移相器實現(xiàn)的。2.1.2 平面相控陣天線掃描的基本原理平面相控陣天線是指天線單元分布在平面上，天線波束在方位與仰角兩個方向上均可以進行相控掃描的陣列天線。目前，大多數(shù)遠程、超遠程相控陣雷達以及新的三坐標相控陣雷達均采用平面相控陣天線。一個平面相控陣天線可以分解為多個子平面相控陣天線或者分解成多個線陣。相應(yīng)的，由發(fā)射機至各天線單元的信號功率分配網(wǎng)絡(luò)與由天線單元到接收機之間的功率相加網(wǎng)絡(luò)也會隨之變化。平面相控陣天線單元的排列方式主要有兩種：矩形格陣排列和三角形格陣排列，后者可以看成是由兩個單元間距較大的按照矩形格陣排列的平面相控陣天線所構(gòu)成。圖2.3所示

7、為平面相控陣天線示意圖，天線陣列位于平面上，共有個天線單元，沿方向的個陣元以間距均勻排列，沿方向的個陣元以間距均勻排列，從而形成矩形柵格陣的平面陣。圖2.3等間距排列的平面相控陣天線示意圖設(shè)目標所在方向以方向余弦表示為，則由各天線單元到目標方向之間存在的路程差決定了信號傳輸過程中的相位差。因此，沿軸和軸相鄰天線單元之間的空間相位差可分別表示為： (2.12)第個單元與第個參考單元之間的空間相位差為。若天線陣內(nèi)由移相器提供的相鄰天線單元之間的陣內(nèi)相位差，沿軸與軸刻分別表示為： (2.13)式中，與分別表示波束最大值指向的方向余弦。當(dāng)以球坐標表示時，根據(jù)圖2.3可知： (2.14)第個單元與第個參

8、考單元之間的陣內(nèi)相位差為。記，則，、在此處表示簡化的陣內(nèi)相移值。設(shè)第個天線單元的幅度加權(quán)系數(shù)為，類似于線陣天線方向圖函數(shù)的求解過程，在忽略天線單元方向圖的影響條件下，平面相控陣天線的方向圖函數(shù)可表示為： (2.15)考慮到 (2.16)將(2.16)帶入(2.15)中，得到： (2.17)通常情況下，天線照射口徑函數(shù)為等幅分布，即不進行幅度加權(quán)，幅度加權(quán)系數(shù)，滿足均勻分布。此時平面相控陣天線的方向圖函數(shù)可表示為： (2.18)式(2.18)表明，在等幅分布條件下，平面相控陣天線方向圖可以看成是兩個線陣天線方向圖函數(shù)的乘積。其中表示水平方向線陣的天線方向圖，是垂直方向線陣的天線方向圖。與線陣方向

9、圖的推導(dǎo)類似，這里有：( (2.19)由(2.19)可以看出，分別改變相鄰天線單元之間的相位差、值，即可實現(xiàn)平面相控陣天線波束的掃描，而、值的改變?nèi)匀皇峭ㄟ^每個天線單元后端設(shè)置的移相器實現(xiàn)的。2.2 相控陣天線的基本構(gòu)成相控陣天線理論和技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得相控陣天線在電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式和微波元件及控制方法等方面千差萬別29。通常情況下，相控陣天線是由天線陣面、移相器、饋線網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的控制電路等幾部分組成。如果相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中不含有源電路，則稱此天線為無源相控陣天線。如果天線的各個單元通道中含有有源器件，例如信號功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等，則稱此天線為有源相控陣天線。2.2.1

10、天線陣面相控陣天線陣面通常是由幾百個到幾萬個不等的通過相位進行控制的通道激勵輻射單元構(gòu)成。這些輻射單元可以是單個的波導(dǎo)喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等。當(dāng)這些輻射單元分布于平面上，稱為平面相控陣天線；分布于曲面上，稱為曲面相控陣天線；如果該曲面與雷達安裝平臺外形相一致，則成為共形相控陣天線(conformal phased array antenna)。相控陣天線單元的排列方式主要有矩形格陣排列、三角形格陣排列以及六角形格陣排列等。2.2.2 饋線網(wǎng)絡(luò)相控陣天線是一個多通道系統(tǒng)，一般均包含大量天線單元，在發(fā)射機、接收機與天線陣各單元之間必須有一個多路饋線網(wǎng)絡(luò)。通過發(fā)射機輸出端將信號送至天線陣面

11、中各個輻射單元或?qū)⑻炀€陣面中各個輻射單元接收到的信號送至接收機輸入端的過程，稱為饋電，而將為陣列中各個天線單元通道提供實現(xiàn)波束掃描或改變波束形狀所要求的相位分布稱為饋相。其中的饋電方式主要包括強制饋電與空間饋電兩種，改變波束形狀所要求的各通道激勵相位是通過微波器件移相器實現(xiàn)的。強制饋電(constrained feeding)亦成為約束饋電。該系統(tǒng)采用波導(dǎo)、同軸線、板線、微帶線等微波傳輸線實現(xiàn)功率分配與相加網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射激勵信號發(fā)射機輸出信號以及接收機輸入信號均只在傳輸線中傳播，輻射泄漏很小，饋電網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性容易得到保證?？臻g饋電亦稱光學(xué)饋電，主要分為透鏡式與反射式兩種。與強制饋電相比較，

12、信號場強在傳輸過程中不是約束在波導(dǎo)、同軸線或者微帶傳輸線中，而是在自由空間傳播，因此空間饋電網(wǎng)絡(luò)實際上是采用空饋的功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)。采用空間饋電具有許多優(yōu)點。例如，可以省掉許多加工要求嚴格的高頻微波器件，在雷達信號波長較短時，可利用空間饋電形成單脈沖測角所需的和、差多波束，與強制饋電相比具有更為明顯的優(yōu)點。2.2.3 移相器各種不同類型的移相器是相控陣天線饋線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)饋相的關(guān)鍵器件，對它的要求是：移相的數(shù)值精確、性能穩(wěn)定；寬頻帶、大功率容量；便于快速控制等30。移相器主要分為以采用壓控變?nèi)荻O管的場效應(yīng)晶體管(fet)模擬型移相器和以采用pin二極管作開關(guān)器件的通過式數(shù)字型移相器兩大類。但是

13、，為了便于計算機對天線波束掃描進行可編程控制，控制電壓或者電流信號均是按照二進制方式產(chǎn)生的，移相器的每一位受二進制數(shù)字信號中的一位控制。因此，無論模擬型移相器還是數(shù)字型移相器，它們提供的相移量均是按照二進制方式變化的，即仍然是離散的，因而在實際使用中，多采用數(shù)字式移相器。設(shè)數(shù)字式移相器位數(shù)為，為正整數(shù)，則移相器的最小相移值為： (2.20)故位數(shù)字移相器共有種不同移相值，以四位數(shù)字移相器為例，如圖2.4所示。最小相移值為 ，且高一位移相器的相移量是低一位移相器相移量的2倍。因此，四位數(shù)字移相器可以看成是四個相移數(shù)值分別為的子移相器串聯(lián)而成。每一位子移相器均受到一位二進制數(shù)字信號的控制。其中0對

14、應(yīng)不移相，1對應(yīng)移相。圖 2.4 四位數(shù)字式移相器示意圖例如，當(dāng)控制信號編碼為0101時，四位數(shù)字式移相器產(chǎn)生的相移量為：即控制信號編碼為0101時，代表移相器提供的相移量。從理論上講，當(dāng)移相器正常工作，不存在故障情況下，四位數(shù)字式移相器可提供從0到337.5°范圍內(nèi)，每間隔最小相移值22.5°取一個值，總共可提供種相移值。為了節(jié)省無線電元件和電路、為了簡化結(jié)構(gòu)和提高可靠性，大多數(shù)現(xiàn)代相控陣天線的移相器控制都是以行列原理為基礎(chǔ)。移相器的控制電路可分為兩種主要類別。第一類允許獨立控制移相器的所有電路，即此種電路內(nèi)的每一個移相器可以處于任何一種狀態(tài)而與其余移相器的狀態(tài)無關(guān)。第二

15、類不允許在個別移相器組內(nèi)（有時甚至是全部）實現(xiàn)獨立控制的電路。在此種情況下，移相器控制碼由行和列二進制碼的和組成（帶進位），移相器位于行和列的交點上。有種狀態(tài)的移相器，在通常情況下，它的狀態(tài)按沿行和列傳送的數(shù)之和（按模）計算，也就是。這樣的電路確保同時控制所有的移相器和形成使相控陣天線波束指向任意方向所必需的相位波前。第二類電路比第一類電路速度快，但控制的靈活性較小。2.3 相控陣天線可能的故障類型及影響分析2.3.1 故障類型相控陣天線經(jīng)常產(chǎn)生的故障是指移相器控制電路的故障30，由于該故障使得移相器或者移相器組的一位或者幾位未接通。此外，在有源相控陣天線中，由于通道放大器工作異常，導(dǎo)致輻射器

16、沒有激勵也是典型故障形式之一。以常見的二進制原理構(gòu)成的移相器情況為例，來討論相控陣天線可能的故障類型及其對天線性能的影響。位二進制數(shù)字式移相器通常是由個移相數(shù)值不同的離散位（亦稱子移相器）串聯(lián)構(gòu)成。每一個離散位都包含兩種狀態(tài)，選通和未選通，對應(yīng)的傳輸系數(shù)有兩個值：以及，其中。設(shè)相控陣天線含有個移相器，移相器狀態(tài)總數(shù)為。常見的故障類型有兩類：一是無激勵故障，此時通道激勵復(fù)振幅。二是離散位失效故障，此時。以三位二進制數(shù)字移相器為例，此時移相器可能的故障類型見圖2.5所示。圖2.5 三位二進制數(shù)字移相器的可能故障類型2.3.2 影響分析故障模式的差異性對相控陣天線的特性參數(shù)影響不同。研究故障模式對雷

17、達輻射特性的影響是進行測試診斷的前提和基礎(chǔ)，因此必須對相控陣天線的故障模式及影響進行分析。為了驗證在所采用的陣列形式中，陣元失效對天線性能的影響程度，采用matlab軟件，建立了元半波陣子矩形平面相控陣天線模型，仿真了當(dāng)其內(nèi)部分別含有一個、兩個、以及四個故障單元情況下，對天線輻射特性造成的影響。此處采用天線方向圖來刻畫故障模式的差異性對相控陣天線特性參數(shù)的影響程度。所謂天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射特性(場強振幅、相位、極化)與空間角度關(guān)系的圖形。完整的方向圖是一個三維的空間圖形，它是以天線相位中心為球心（坐標原點），在半徑r足夠大的球面上，逐點測定其輻射特性繪制而成。測量場強振幅，

18、就得到場強方向圖；測量功率，就得到功率方向圖；測量極化，就得到極化方向圖；測量相位，就得到相位方向圖，若不另加說明，本論文提及的方向圖均指場強振幅方向圖。由于三維空間方向圖的測繪十分麻煩，實際工作中，一般只需測得水平面和垂直面（即xy平面和xz平面）的方向圖即可。天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形，可以從天線方向圖中觀察到天線的各項參數(shù)，主要包括：主瓣寬度，旁瓣電平，前后比，方向系數(shù)等。建立的元半波陣子矩形平面相控陣天線模型參數(shù)如下：天線工作在s波段，工作頻率，方向間距為，方向間距為，臂長，半徑。元半波陣子矩形平面相控陣天線模型如圖2.6所示。 圖2.6 元半波陣子矩形平面相控陣天線模型當(dāng)給天線各個單元施加泰勒分布激勵時，得到元半波陣子矩形平面相控陣天線無故障、單故障、雙故障、四故障情況下的三維立體方向圖和二維平面方向圖，分別如圖2.72.10所示。 圖2.7 無故障情況下半波陣子矩形面陣三維與二維方向圖圖2.8 單故障情況下半波陣子矩形面陣三維與二維方向圖 圖2.9雙障情況下半波陣子矩形面陣三維與二維方向圖圖2.10 四障情況下半波陣子矩形面陣三維與二維方向圖采用電磁仿真軟件hfss，建立元半波陣子矩形平面相控陣天線模型，參數(shù)如前所述。仿真完畢之后利用軟件后處理分析功能，得到無故障與三種典型故障的方向圖最大增益、最大副瓣電平以及輻射功率等