x波段單脈沖一維相掃天線的設計-電子與通信工程專業(yè)畢業(yè)論文

1、獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的 地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不 包含為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示謝意。簽名：日期： 年 月曰尖于論文使用授權的說明本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論 文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權電子科技大學可以將學位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以

2、采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）簽名： 導師簽名：相控陣雷達具有快速改變天線波束指向和波束形狀、可以采用多部發(fā)射機在 空間進行功率合成、易于形成多個發(fā)射和接收波束、可使相控陣天線與雷達平面 共形等特點，在觀測高速運動目標、實現(xiàn)多功能和多目標跟蹤、加大雷達作用距 離等方面都具有特別的優(yōu)勢，因此成為當今雷達發(fā)展的主流。為使某雷達搜索系統(tǒng)同時獲取目標的三坐標參數(shù)，將其改進為采用一維相掃 體制，有源平面陣列天線，單脈沖測角方式。這種改進方式有利于提高整個雷達 系統(tǒng)的反應時間。在傳統(tǒng)的一維相掃強制饋電天線系統(tǒng)中，發(fā)射信號通過列饋功分器進入行饋 功

3、分器，再經(jīng)由連接電纜饋送到天線輻射單元。對于單元數(shù)眾多的天線陣列而言， 這種排列方式意味著數(shù)量龐大的連接電纜，所帶來的后果是系統(tǒng)可靠性降低，可 維修性變差。對于工作于較高頻率的系統(tǒng)尤其如此，因為其單元柵格的物理空間 相對較小，使得電纜布線非常困難。針對這種情況，為提高可靠性和維修性，我 們將天線單元與行饋功分網(wǎng)絡進行一體化設計，即是說將天線單元與行饋功分網(wǎng) 絡同時印制集成在一起形成可以拔插的天線行。這種一體化設計同時還為減輕平 臺負重和提高雷達整體性能創(chuàng)造了有利條件。本課題主要完成以下工作：1. 選取合適的天線單元并進行設計。在陣列環(huán)境下（考慮互耦）完成單元的 阻抗匹配。2. 采用天線陣列經(jīng)典

4、分析理論設計陣元間距，抑制柵瓣的產(chǎn)牛；確定天線行 列數(shù)；確定天線口徑分布。3. 探討天線陣列的掃描特性和互耦分析方法，對試驗小而陣進行分析，計算 陣列天線的掃描特性，為組陣打下基礎。4. 設計行饋功分網(wǎng)絡，考慮與天線單元的一體化設計。5. 完成天線陣面單脈沖饋電網(wǎng)絡的理論設計。6. 完成天線行的測試和分析。關鍵詞：相控陣天線，互耦，掃描，盲點，一 體化設計abstractabstractphased array radar (par) can rapidly change the direction and the shape of its beam. when applied multi-t

5、ransmitters, it can combine power in space it can easily fonn multiple transmission and receive beams. and its antenna can be conformal antenna so par can be multifunctional, wide range and track high-speed target and multiple detected targets. par is getting more and more popular.to simultaneously

6、obtain three-dimensional parameters of a detected target, a par will be promoted it will contain active one-dimensional planar array. and single impulse angulation will be applied thus, the pars response time will shorten.as conventional one-dimensional array using coercive feed, the signal to be tr

7、ansmitted arrive at radiating elements after via column-feed power divider firstly, via row-feed power divider secondly. for the antenna array having a great quantity radiating elements, enormous cables are used thus, this system has bad reliability and maintainability the system operating higher fr

8、equency is getting worse, because of the smaller space of the grid of radiating element and the difficulty of arrangement cables. to promote the reliability and maintainability of this kind of radar, antenna radiating elements and row-feed power divider network are integrated. so we will get a plug-

9、in antenna-row. thus the system of antenna will lighten. it will also promote the system requirements.i have accomplished the following goals.1. design appropriate antenna radiating element. calculate its matching impedance on the condition of considering mutual coupling.2. calculate the distance be

10、tween antenna radiating elements applying the theory of classical analysis of antenna array to suppress sidelobe. calculate the number of the rows of antenna array calculate the distribution of the antenna aperture.3. discuss the characteristic of antenna scanning. research the method of analyzing m

11、utual coupling analyze small array to organize bigger antenna array.4. design row-feed divider network and implement element- power divider integration.5. implement theory design of single impulse feed network of antenna array.6. test the row of antenna and analyze it.keywords: the phased array ante

12、nnas, mutual couple, scan, blindness, incorporate design日錄目錄第一章緒論11.1研制背景11. 2相控陣雷達及天線發(fā)展概況11.3本文的主要工作3第二章平面陣列天線輻射特性分析52.1用經(jīng)典方法分析平面陣列天線52. 1. 1直線陣52. 1.2平面陣72.1.3平面陣列天線的口徑分布132.1.4平面陣列天線的尺寸設計152. 2平面陣列天線互耦及掃描特性分析162.2.1天線的互耦效應162.2.2互耦效應的分析方法182.2.3相控陣天線的掃描特性20第三章單脈沖測角原理及和差波束形成網(wǎng)絡233. 1單脈沖測角原理233.2本課題

13、采用的和差波束饋電網(wǎng)絡24第四章相控陣天線單元及陣列264.1相控陣天線單元的形式264.2相控陣天線單元的設計274.3實驗小陣特性仿真分析32第五章天線單元與饋電網(wǎng)絡的體化設計375.1功分器設計方法375.2行饋功分網(wǎng)絡的一體化設計方法40第六章天線測試446. 1測試方案446.1.1行饋輸入端口駐波測量446. 1.2行饋各輸岀端口的s21參數(shù)測量 44日錄6.1.3行饋插入損耗的計算456.1.4天線方向圖室外遠場測試法456. 2測試結果486.2.1行饋輸入端口駐波測量486.2.2行饋各輸出端口的弘?yún)?shù)測量486. 2. 3行饋插入損耗的計算506. 2. 4天線方向圖遠場測

14、試結果50第七章總結52致謝53參考文獻54攻碩期間取得的研究成果56第一章緒論第一章緒論1.1研制背景雷達作為一種可主動地對遠距離目標進行全天候探測的信息獲取裝備，在國 防建設與經(jīng)濟建設中獲得了廣泛應用。隨著雷達觀測目標的不斷發(fā)展，如機動性 強、隱蔽性好（rcs?。?、速度快、批次多、分布廣的高性能飛行器和強殺傷武器 的出現(xiàn)，特別是隱身飛行器、綜合電子干擾、低空掠海突防、反輻射導彈、微波 炸彈等的威脅日益嚴重，這向雷達提出了更多的新要求。我公司上世紀90年代研制的“某x波段火控雷達系統(tǒng)”中的搜索天線采用賦 形拋物面天線，只能提供目標的二坐標（2d）參數(shù)，即方位和斜距。為同時得到 冃標的三坐標（

15、3d）參數(shù)并提高整個系統(tǒng)的快速反應能力，對該搜索天線進行改 進，即采用一維相掃體制，有源平面陣列天線，并采用單脈沖測角方式。為減輕 車載平臺負重并提高可靠性、維修性，天線單元采用半波印刷振子并和行饋功分 網(wǎng)絡進行一體化設計。作為系統(tǒng)重要組成部分的有源平面陣列天線，擬采用方位 機械掃描、俯仰面相位掃描方式，并且形成“和”、“方位差”以及“高低差” 三個波束來完成單脈沖測角。1.2相控陣雷達及天線發(fā)展概況相控陣天線的概念早在20世紀30年代就已經(jīng)提出，二次世界大戰(zhàn)初期，美 國海軍研制成功的第一部相控陣天線fhmlsa采用的就是機械控制的移相器，其工 作頻率為s波段。當時移相器的控制速度很慢，它與機

16、械旋轉掃描的天線相比沒 有優(yōu)勢。20世紀50年代后期，對彈道導彈等高速進攻性武器的防御和空間各種軍 事衛(wèi)星的探測、監(jiān)視和跟蹤，要求雷達天線具有高增益、多通道、多口標搜索和 跟蹤的能力，并提供足夠高的數(shù)據(jù)率。然而機械掃描的大口徑、高增益天線轉動 困難，很難滿足要求，因此相控陣天線得到重視。這一時期，計算機技術、鐵氧 體技術、半導體技術以及微波電子技術的迅速發(fā)展，也為相控陣天線的應用提供 了必要的器件和技術條件。20世紀60年代以來，相控陣雷達獲得了快速發(fā)展，提 高了雷達的數(shù)據(jù)率，解決了邊搜索、邊跟蹤及合理使用雷達信號能量等問題，這 也導致了相控陣雷達初期的大發(fā)展。20世紀70年代以來，采用一維相

17、位掃描天線的各種戰(zhàn)術相控陣雷達，由于簡化了三坐標雷達的設計、提高了三坐標雷達的性 能且降低了雷達成本，逐漸在發(fā)達國家相繼問世。目前，二維相位掃描的戰(zhàn)術相 控陣雷達已逐漸增多。除了軍事需求的推動外，數(shù)字集成電路、微波技術、信號 處理技術的發(fā)展和進步是推動相控陣技術發(fā)展的重要因素。相控陣天線技術也已 開始大范圍的應用于通信、電子戰(zhàn)（ew）與導航領域。在雷達發(fā)展史中，相控陣 雷達完成了從早期雷達僅能對單個口標的距離、角度等標量參數(shù)進行粗略測量而 感知目標，到瞬間同時對眾多目標的距離、角度、速度、加速度和極化等標量和 矢量參數(shù)精確實時測定而認知目標的飛躍。隨著雷達觀測目標種類的增多，要求 雷達測量的冃

18、標參數(shù)不斷增加，并要提高雷達電子對抗能力及冃標識別能力，有 源相控陣雷達、寬帶相控陣雷達、數(shù)字相控陣雷達、多波段綜合一體化相控陣雷 達成為當今相控陣雷達發(fā)展的重要方向山?？梢哉f，相控陣雷達的發(fā)展前景是非常 廣闊的，但要解決的技術問題也很多，相控陣技術的發(fā)展犬有潛力，同吋也有許 多問題需要創(chuàng)新。相控陣雷達具有快速改變天線波束指向和波束形狀、可以采用多部發(fā)射機在 空間進行功率合成、易于形成多個發(fā)射和接收波束、可使相控陣天線與雷達平面 共形等特點，在觀測高速運動目標、實現(xiàn)多功能和多目標跟蹤、加大雷達作用距 離等方面都具有特別的優(yōu)勢，因此成為當今雷達發(fā)展的主流2o這些特點使相控 陣雷達具有強大的功能，

19、靈活的工作方式，計算機控制的無慣性掃描和動態(tài)波束 賦形能力，可充分利用發(fā)射機的功率和時間資源，使系統(tǒng)的性能大大提高。這些 特點使得相控陣天線在防空多功能雷達屮也得到重要應用。相控陣雷達具有穩(wěn)定 跟蹤多批高速運動目標的能力，在單部發(fā)射機功率有限的條件下，也能獲得所要 求的特大功率，從而為推遠雷達作用距離、提高雷達測量精度和觀測包括隱身目 標在內(nèi)的各種低可觀測目標提供了技術潛力。相控陣雷達天線由多個在平面或任意曲面上按一定規(guī)律布置的天線單元和信 號功率分配/相加網(wǎng)絡所組成。在天線單元上設置移相器，用來改變天線單元之間 的饋電相位關系從而實現(xiàn)波束掃描（或波束賦形）；而單元間信號幅度的改變（實 現(xiàn)低或

20、超低副瓣）則通過不等功率分配/相加網(wǎng)絡或衰減器來實現(xiàn)。相控陣天線單元有多種形式，比如線天線單元（偶極子、微帶偶極子 vivaldi 單元等）、口徑單元（縫隙、波導、喇叭等）、微帶貼片單元、collings平衡饋電輻 射器等。對于采用強制饋電網(wǎng)絡的大陣列天線，由于其所包含的天線單元數(shù)冃較 多，則饋電系統(tǒng)也非常復雜，依靠數(shù)量龐大的電纜連接會影響系統(tǒng)可靠性和饋電第一章緒論相位。早在1988年，kuan min lee和ruey-shi chu就對印制偶極子單元 和其饋電網(wǎng)絡的一體化設計進行了研究，對有限相掃偶極子陣列和饋電功分網(wǎng)絡 之間的互耦進行了分析，文中釆用了饋電輸入端口的電壓駐波比（vswr）

21、和由于 互耦效應使天線方向圖產(chǎn)生的性能惡化來共同描述這種一體化天線和饋電網(wǎng)絡間 的互耦作用。近幾年，隨著單片微波集成電路（mmic）的gaas微波集成電路的 發(fā)展，使制造重量輕、體積小、可靠性高和成本低的有源電掃陣列（aesa）成為 可能，并對數(shù)字波束形成（dbf）技術產(chǎn)生了極大促進。美國國防部高級研究計 劃署（darpa）從1999年開始就制定了一系列計劃研究和發(fā)展相控陣天線組件技 術以及移動相控陣天線技術。darpa在移動相控陣天線技術中采用有源相控陣 天線，在其典型x波段系統(tǒng)中，單片t/r組件可產(chǎn)生10w的峰值功率和2w的平 均功率。另外，darpa還計劃采用mmic技術制造單片t/r組

22、件，通過lccmd （low cost cruise missile defense,低成本巡航導彈防御）計劃使其工作頻率擴展到 ka波段，最終將t/r組件與天線單元在晶片級（waferscale）進行集成，從而可 以釆用瓦片（tiles）形式構造大型的集成晶片級有源陣列，其中還要解決dc、rf 饋電及芯片互聯(lián)（chip interconnect）問題。lucas m. feldner等人設計了一種三 角形微帶貼片天線，該天線與rf mems （射頻微機電系統(tǒng)）移相辭單片集成在一 起以實現(xiàn)低成本的ka波段單片無源電掃陣列，其數(shù)值結果表明：天線單元增益約 4.7dbi,每一種調(diào)諧波段（共5種）其

23、2:1電壓駐波比帶寬接近1.5ghzo由此我們 也可以看出未來相控陣天線的發(fā)展方向，其中寬頻帶、集成化是一個重要方面。1.3本文的主要工作本文所從事的課題研究為“x波段單脈沖一維相掃天線陣列”的前期預研工 作，主要完成天線單元和其饋電網(wǎng)絡的一體化設計（天線行），為順利組成天線陣 面打下堅實基礎。本文主要完成以下幾個方面的工作：a. 選取合適的天線單元并進行設計。在陣列環(huán)境下（考慮互耦）完成單元的 阻抗匹配。b. 采用天線陣列經(jīng)典分析理論設計陣元間距，抑制柵瓣的產(chǎn)生；確定天線行 列數(shù)；確定天線口徑分布。c探討天線陣列的掃描特性和互耦分析方法，對試驗小面陣進行分析，計算 陣列天線的掃描特性，為組陣

24、打下基礎。d. 設計行饋功分網(wǎng)絡，考慮與天線單元的一體化設計。e. 完成天線陣面單脈沖饋電網(wǎng)絡的理論設計。f. 完成天線行的測試和分析。第二章平面陣列天線輻射特性分析2.1用經(jīng)典方法分析平面陣列天線平面陣列天線形式很多，最常見的為矩形柵格排列和三角形柵格排列。而陣 元以均勻間距、位于一條直線并受等幅同相電流激勵的均勻直線陣最為常見，也 是分析復雜陣列的基礎。2.1.1直線陣假設天線金屈表面s上有傳導電流/（耳），介質(zhì)區(qū)域v內(nèi)有極化電流丿0”（幾）, 則采用球坐標系表示的天線遠區(qū)電場強度為(2-1)式中，a為與方向（e,（p）無關的常數(shù)r(e,(p)為輻射方向圖(2-2)f(8,(p) = r0

25、 x|r0 x|/(rs)exp(-jr0d-s) + ycoj p(r0)exp(jfo-0uv)jv k為波數(shù)5'7 2兀 yr（）為觀察方向單位矢量彳）=sin0 cos（px+sin0 sin（py+cos0z空間位置任意分布的n元相控陣天線的方向圖可以采用同樣的方法分析。如 圖21所示，設第n號陣元位于比，受到激勵的復電流為/nexpqg）盒，具有方向圖函數(shù)為a（6,（p）o則不計互月附，在1*0方向的遠區(qū)，陣列產(chǎn)生的電場強度為 勺exp（-溝）n nnnne（8,（p）= kl exp（7（p ）/ （6,（p）” 0（2-3）gorfi式中，心為與（b,（p）無關的常數(shù)；

26、乙為第n號陣元的和位中心到場點的距離；盒為第n 號陣元在遠區(qū)產(chǎn)生輻射場極化的單位矢量。由圖21,將rn=r.-dn代入式（2.3）,則n-1e（e,（p） =工和“ expu（坳比）+<p£（e，<p）盒（24）/:=0式中，k'n =-exp（-j）式（2-4）適用于不同陣元即非相似元組成的線陣、面陣和立體陣輻射場計算。 對于由結構形狀、電流分布和安裝姿態(tài)都一樣的相似天線單元組成的均勻直線陣, 如圖2-2所示，不計常數(shù)因子時（f）=0平面上的輻射場將簡化為(2-5)e（e）=e.（e）x（e） 式中，e“（e）為陣因子，£（e）為單元因子。圖22線陣幾

27、何結構n-1(0) = xz« expu(如 d sin0 +(pj/!=() 式中，d為相鄰單元間距。單元因子£(e)表征陣列天線遠區(qū)場的極化特性。陣因子d(e)是復函數(shù)，表 征陣列天線遠區(qū)場的幅相特性。對于人型相控陣，陣因子是主要研究目標。在式(25)的陣因子e,e)中，令札=-如dsinq, 6為天線波束最大指向角,(2-6)n-e佝exp；w(sine -sin0v)n=0上式是直線相控陣天線方向性函數(shù)的一般表達式，人是陣元的實電流分布。 根據(jù)需要，人可以是chebyshev加權，也可以是taylor分布，等等。假設陣列均 勻激勵，即人=15 = 0,1,n 1),

28、則式(2-6)為(2-7)工弋中,u = /a/(sinq -sin0v)。對于實際陣列,單元數(shù)n較大，式(2-7)可表示為e (0)= sinc(/v)(2-8)a 2卡宀 .sinxjkt， sin ex -。x式(2-7)在弘=2/皿(加為整數(shù))時，£*“(0)取最大值；其中，加=0對應于 方向圖主瓣，加取不為零的整數(shù)時對應于柵瓣。柵瓣的出現(xiàn)是人們不期望的，它不 但使輻射能量分散，增益下降，而且會對目標定位、測向造成錯誤判斷等，應當 給與抑制。由式(26)可見，改變陣元之間的相位差q二-rdsiia，就能改變波束指向。 這就是相控陣天線波束掃描的基本原理。2. 1.2平面陣矩形

29、網(wǎng)格矩形邊界的平面陣結構及建立的坐標系如圖2-3所示。平面陣共有 m列，n行，行間距為2,列間距為0.。123m m圖2-3平面陣結構及建立的坐標系為了使陣列天線只向正前方輻射，陣列的后面往往加有一個反射網(wǎng)，為便于 分析，這個反射網(wǎng)可看作是一金屬反射面，見圖24 反射面與陣列表面之間的距 離為x，它約為屮心頻率對應波長九的四分2，即d尸人14。陣列單元為半波 振子，其全長約為2厶二兀/2。由于有反射面，則在以后計算陣列方向圖時要考慮 陣列單元的鏡像。圖2-4平面陣和反射面模型立體圖，及笫inn個單元的鏡像法示意(2-9)(2-10)由圖2-4可得第mn個單元的坐標位置矢量為:pmn=yyzzn

30、 該單元鏡像的坐標位置矢量為pbn «=2厶*加科（m+l式中,(2-11)（血一p , m= 1, 2,珈，,卻2z=（n-）d. 2為該單元在陣面上的位置坐標。不論行數(shù)n和列數(shù)m為何值，這個表示都是相對于陣列中心的位置坐標。坐標原點到遠區(qū)場點的射線廠的單位矢量為產(chǎn)=弧0甲 s八 y sqi n ft-tf a 0c o s平面陣的總輻射場矢量為120|e|=_|f（e,（p）|r式中，f（e,（p）= 7o（0?<p）/；（e?9）/v（e）z（e）(2-12)(2-13)(2-14)./0（e,（p）為單元振子的方向圖函數(shù)/;（e,（p）為考慮鏡像的方向圖函數(shù)m/v（e,

31、（p）二工幾exp（.血sine sin（p）為丫方向線陣的陣因子口nz（6） = s l exp（小z” cos0）n=l為z方向線陣的陣因子(2-15)(2-16)(2-17)(2-18)對有反射面由陣列建立的坐標系（見圖2-3）, 8稱為俯仰角，（p稱為方位角。的平面陣,其俯仰角和方位角的范圍分別為：0 = 0兀，（p =-兀/2兀/2。由式（213） 既可以確定任意俯仰角的方位方向圖，也可確定任意方位角的俯仰方向圖。通常 我們只對兩個主面（e面和h面）的方向圖感興趣。e面（yz平面，9=71/2,又稱方位面）方向圖函數(shù)為sr-cos kl sin(w cos)rsini 1i exp

32、伽x <p ix . <p ii s.= l 加=1l =1-cos（ph面（xz平面，（p=0, 乂稱俯仰面）方向圖函數(shù)為/7/（e）=f（e,（p）u二心1=（1 - cos kl） sin（kdx sin0） i 2 tym | | 工厶 exp（j閔 cos6） ilr=l jl =1j如果希望在h面實現(xiàn)掃描，則按列口徑分布應為(2-19)式中，匕為某列中兩單元之間的饋電相位差，如果采用二進制移相器，其表示為(x360p(2-20)22尺=0,±1,±2,為波位數(shù)，k為二進制移相器位數(shù)。對6位二進制移相器，k=6, 則匕=5.625#(°) o

33、平面陣天線的方向性系數(shù)d可由如下公式估算32400為0.5e200.5/(2-21)此式是在均勻平面陣的情況下導出的，且平面陣處于自由空間。對有反射網(wǎng)的平 面陣天線，按上式計算的方向性系數(shù)應該偏小。因此，方向性系數(shù)可按如下公式 計算(2-22)=4兀f他,).n/2 itf2(e,(p)sinet/06/(pj-n/2jo式中，f(9,(p)由式(2-14)表示，為最大輻射方向，分母只對陣面前方半空 間積分。式(2-22)表示的方向性系數(shù)比實際值又略大些，因為在陣列的后面半空間 可能有少部分輻射能量。由于陣列的方向圖函數(shù)f(9,(p)是一個復雜函數(shù)，上式分母中的二重積分只能 采用數(shù)值積分方法。

34、對形如/ =2 f2(e,(p)sin06/e(p的積分，最簡單的積分方法是把積分區(qū)間等分成許多小塊，見圖25。圖25積分區(qū)間分塊示意每小塊內(nèi)被積函數(shù)看是均勻的，則第可個小塊的積分分值為i =ae-a（p f2（e,（p ）sine u1 j1式中，（g,（pj）是第（/個小塊的中點坐標（p =-7t/2 + （j-0.5）a（p ,e二兀/ng和（）=兀/心分別為e和（p積分區(qū)間的等分段長度，飩和他分別為b 和（p積分區(qū)間的等分段數(shù)。則，紳只分值為££ i j；e, =（/-o.5）ae,i = ,2,叫j = ,2,.,n（p/ = a0 a（p-f2（6 ,（p ）s

35、in6（2-23）' i j 1方向性系數(shù)是以輻射功率為'基點，沒有考慮天線能量轉換效率。天線的增益 等于天線的效率與方向性系數(shù)之積。換言之，如果天線的效率為100%,則天線的 方向性系數(shù)也就是天線的增益了。另外，工程屮還經(jīng)常采用陣列單元呈三角形柵格排列、而邊界為矩形的平面 陣。這種陣列天線可以看成是兩個矩形柵格排列的平面陣和嵌所構成的，如圖26 中所示。為了便于區(qū)分，兩個子平面陣的單元分布用圓點和方點表示。設三角形柵格陣列的兩個子矩形平面陣完全一樣，即子陣的單元數(shù)均為 nyxnz，單元間距均為2dy和2么，均勻遞變相位均為2®,和2匕。如果以坐標原s (0,(p)=

36、弘t弘-】i cxpj2m(kdvsin0sin(p+aj + 2”伙dcos0 +a_)o zzg)/h=0 zt=o以方點表示的子陣陣因子為sn（0,（p） = exp j（kdy sin 0 sin （p + a v） + （kd, cos0 +aj nt（2-25）工 x 扁 exp j2m（kdy sin0 sin（p +a j + 2”（畑:cos0 +aj ni=o n=q上式中求和號前面的指數(shù)項為方點表示的子陣相對于坐標原點的空間相差；/°和 m/湎分別為兩個子陣中第mn個單元的激勵幅度。整個三角形柵格平面陣列的陣因 子就為這兩個子陣的陣因子的和。如果冷/二/ （如均

37、勻平面陣就是這種情 況），則得,tm m,t m,ts（e,（p） = so（8,（p） + si（8,q） = l + /kyn"hwwy）+（mzcos3+a2）f,©（p）二巧（8,（p）代（e,<p）（2-26）式中，fv（6,（p） =仏一1 nt工 工 hnn cxpj2m（lalv sin0 sin（p + av） + 2n（zz/z cosg +（x-）（2-27）/m=0 n=0該式是間距為2九和2必，均勻遞變相位為2®和2匕的矩形平面陣的陣因子。fa（0,（p） = 1 + exp j（kdv sin0 sin（p+av） + （kdz

38、cos0 +oc j（2-28）表示兩個子平面陣的綜合陣因子。與矩形柵格相比，三角形柵格排列的平而陣其優(yōu)點為：（1）在滿足相同的天線指標（如主瓣寬度、非線性系數(shù)、不出現(xiàn)柵瓣等）情 況下，所需單元數(shù)較少，單元數(shù)約減少10%左右小2宀。（2）三角形柵格排列可使單元排列緊密，使相控陣天線實現(xiàn)大角度掃描。 下面討論一下陣元間距以及柵瓣出現(xiàn)的條件。相控陣天線在瞬間迅捷改變波 束指向是陣列單元幅度和相位嚴格程控和單元間距合理設計的結果。單元間距過小將產(chǎn)生如下一系列弊端:單元間互耦強，致使 單元自身乃至陣列的方向圖形狀，以及功率傳輸?shù)容椛涮匦院妥杩固匦詯夯?時使孔徑面積一定的陣列造價和成本增加；而單元間

39、距過大，乂將使掃描波束在 實空間產(chǎn)牛不希望有的能量和強度與主瓣相仿的柵瓣，嚴重影響掃描波瓣質(zhì)量， 以至陣面無法正常工作或工作時危及自身的安全。陣元間距的選擇應以抑制柵瓣 和滿足寬角阻抗匹配為目標，它直接關系到天線的性能和造價。通常認為，對于 確定的工作頻段和最大掃描角8$,相控陣天線陣元的理論最大間距久，心為(1) 矩形柵格d d <k(2-29)_ 1+ sin0s(2) 等腰三角形柵格 <1 九j j _tttti * sinoc l + |sin0v|<a <(2-30)1九不了<d cosa 1+ sin0s式中，a為單元柵排列所形成的等腰三角形與水平坐標

40、軸的夾角。以上兩 式屮的波長應取工作頻段中的最短波長，它們給出了柵瓣最大值在虛 實空間交界處，即將進入實空間的單位圓時陣元間距的理論上限。所對應的掃描2 空域在正弦空間上是以原點為圓心，以sinq.為半徑的圓域。進一步的分析表明， 對于一部戰(zhàn)術相控陣天線，在給定掃描空域的方位覆蓋、仰角覆蓋、陣而傾角及 陣面指向角以后，陣元在技術條件規(guī)定的工作頻帶內(nèi)和掃描空域中，不出現(xiàn)柵瓣 的最大間距可以取得比以上兩式規(guī)定得更大。2.1.3平面陣列天線的口徑分布電磁理論分析表明，在天線口徑前的半無限空間，包括夫朗何費(fraunhfer) 遠區(qū)和非涅爾(fresnel)近區(qū)內(nèi)任一點的場均可由口徑分布表示。在數(shù)學

41、上兩者 滿足一定的積分變換關系，在肓角坐標系中兩者是傅立葉變換對，在圓柱坐標系 中兩者滿足傅立葉-漢克爾變換。對于等幅同相均勻直線陣，其副瓣電平高達 -13. 46db,這對雷達的正常工作乃至生存不利。目前，許多戰(zhàn)術雷達由于抗干擾 的需要都有副瓣低于-30db乃至更低的要求。除此以外，雷達搜索吋，為了提高發(fā) 現(xiàn)概率需要天線提供余割平方或扇形等特殊形狀的方向圖；雷達轉入跟蹤時，為 了不致丟失目標或分清兩個緊挨的目標，又要求天線產(chǎn)生筆形或針狀窄波束。上 述各種不同賦形方向圖的實現(xiàn)都關系著陣列天線口徑的幅相分布。一維線陣的口 徑分布是對連續(xù)線源分布的離散取樣。理論證明，當取樣符合nyquist定理時

42、， 兩者的吻合程度令人滿意。口徑分布有多種形式，如hamming分布、常數(shù)項加余 弦平方分布、單參數(shù)分布、chebyshev分布、雙參數(shù)分布、taylor分布、elliott 分布、bayliss差分布等。chebyshev分布與taylor分布是工程上常用的兩種綜合方法。chebyshev陣列 其方向圖是最佳的，即在相同陣列長度情況下對給定的副瓣電平，其主瓣寬度是 最窄的，或?qū)o定的主瓣零點寬度，所得副瓣電平是最低的。但是當陣列單元數(shù)口較多，chebyshev陣列兩端單元的激勵幅度將發(fā)生跳變岡，最末單元比其相鄰單 元的激勵幅度大許多，不利于饋電并對方向圖副瓣電平影響很大，而taylor綜合

43、方法得到的結果是單調(diào)減少的。另外，chebyshev分布得到的方向圖為等副瓣電平, 而taylor分布得到的方向圖副瓣電平只有緊靠主瓣的幾個副瓣屯平接近相等，其 余副瓣電平是對對減少的。同時我們耍注意到，對于幅度加權，在得到低副瓣的 同時，其波束寬度相應展寬，幅度錐削越陡，波寬展寬越大，這就是低副瓣的代 價。下面對taylor分布作一簡單敘述。設有一個等間距直線陣，單元數(shù)為n,單元間距為d,如圖27所示。1 2 3n圖27 n單元等間距直線陣n對于方位面和波束采用泰勒口徑分布，線陣各單元的泰勒分布為/( pn)=卜乞 s 0 )co冰)(2-31)/=1式屮pn=2jjlan + l=(n-

44、)d為直線陣中第n個單元的位置；la = nd ,為陣列長度； h>2a2+1/2,為泰勒空間因子(方向圖)緊靠主瓣的等副瓣個數(shù)；a = ' cosh r ln(/? + ir2 -1 )n 00_副瓣電平比；szz為指標要求的最大副瓣電平;(2-32)cosh/?兀、°& =10毗/20,為主、(2-33)j (i)!'21 _3aa_ |l o h + 伙一 1/2),0<i<n(2-34)i>n口為波瓣展寬因子。7a2 +(n-l/2)2(2-35)由式(2-31)就可綜合出直線陣中各單元的饋電分布。 對于taylor分布陣列，其

45、半功率波束寬度為(bw ), = a0/z =-i金i2s1v- 1 2(c&s h-f)o s lrad)(p-36)當l»x時,(bw)h /(cosh-1 r )2 -(cosh-1兀厶y°(rad)(2-37)用于陣列時取l = nd, n為陣元數(shù)，d為陣元間距。在陣列長度和副瓣電平相同的情況下，泰勒陣列方向圖的波瓣寬度與切比雪夫 陣列波瓣寬度相比要大。倍。2.1.4平面陣列天線的尺寸設計為便于分析和說明，下面將本課題天線相關部分技術指標羅列如下： 工作頻率 .f2；中心頻率為齊（x-band）,對應波長為入； 極化方式水平線極化；副瓣電平 方位而w30db

46、 ,高低而w25db；零值深度w25db；波束寬度 方位面$2.5。,高低面$4.5。（接收）；天線子陣 駐波vswr w 1.3；方位面和高低面均采用單脈沖方式，方位 面機掃，高低面相掃；高低面掃描范圍045° ；行饋饋電網(wǎng)絡 插入損耗w1.3db , vswr w 1.3 ,隔離度il220db；根據(jù)上述指標，就可以對天線展開初步設計了。在初步設計中，往往不計陣 元間的互耦，而采用經(jīng)典的陣列理論進行設計。三角形網(wǎng)格矩形邊界的平面陣結構及建立的坐標系如圖2-6所示。由于方位面 與高低面都有低副瓣要求，因此都要進行幅度加權。綜合前面的分析,擬采用taylor 分布，而且設計采用的副瓣

47、電平要留余量，一般要留有710db的余量。由于平 面陣中單元的饋電分布可分離成按行和按列排列的口徑分布，因此，需給出方位 面直線陣的泰勒口徑分布,發(fā)射時俯仰面直線陣列的均勻口徑分布，以及接收時俯 仰面直線陣列的泰勒口徑分布。由于低副瓣實現(xiàn)的代價是波束的展寬，結合前面 的分析，由己知的方位面與高低面的波束寬度就可以確定方位面與高低面的線陣 長度。由于方位面機械掃描，因此方位面，即列間距可適當取大些；高低面相位 掃描，則行間距受限于掃描角，由最大掃描角（45° ）可以確定不出現(xiàn)柵瓣的最大間距，然后在合適的區(qū)間選取行間距。間距確定后，則單元數(shù)隨之確定。其實, 對于間距的選擇也存在一個優(yōu)化過

48、程，文獻z采用遺傳算法，通過建立機會約束 規(guī)劃模型來確定相控陣天線的陣元間距，也不失為一個可行的方法。在方位面和俯仰面均耍實現(xiàn)單脈沖。對于方位面，和波束采用泰勒口徑分布, 而差波束，陣列單元數(shù)應為偶數(shù)，并且陣列分成兩半，其相位差為兀。對于俯仰面, 做發(fā)射時，和波束采用均勻口徑分布；做接收時，和波束采用泰勒口徑分布，而 差波束，陣列單元數(shù)應為偶數(shù)，并且陣列分成兩半，其相位差為兀0這正是設計單 脈沖饋電網(wǎng)絡時應考慮的問題。經(jīng)計算，平面陣共有m=28列，n=28行，行間距2=0.513九，列間距 dy =0.845,陣列采用三角形柵格排列。圖28為行饋和列饋幅度分布圖。圖2（行饋和列饋幅度分布2.

49、2平面陣列天線互耦及掃描特性分析2.2.1天線的互耦效應平面相控陣列天線是由大量的天線單元組成的。眾所周知，天線的性質(zhì)決定, 當兩個天線放在一起的時候，一個發(fā)射則另一個將會接收到一些發(fā)射來的能量， 接收能量的多少取決于天線z間的距離和相對的方向性。例如偶極子的輻射方向 圖在8 =±90。方向上為零，在e=±o。的平面內(nèi)則沒有方向性。所以，在同一直線 上排列的兩個偶極子之間的耦合較弱，而平行的兩個偶極子之間的耦合則較強。 這種陣列天線單元之間的能量相互交換就稱之為“互耦”。在研究一個陣列天線時, 會發(fā)現(xiàn)陣列天線屮的單元方向圖與單元獨自在自由空間時不一樣；陣列屮位置不 同的單元

50、方向圖和反射系數(shù)相互也有不少差別；陣列與饋電網(wǎng)絡以及陣列口面上 的單元之間都可能發(fā)生諧振；即使設計優(yōu)良的功分網(wǎng)絡也不能把預定的能量精確 地分配給輻射單元而總有偏差，尤其是處于陣列邊緣的單元。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生都 和陣列單元間的互耦有關?；ヱ钚拇嬖谑龟嚵刑炀€產(chǎn)牛以下不良后果。（1）陣列單元方向圖畸變。互耦一般使單元方向圖主瓣變窄，這不利于相控 陣天線的寬角掃描。（2）陣列單元激勵電流改變?；ヱ钤綇?，幅相分布偏離預定值越大，從而使 陣列方向圖副瓣抬高、增益降低和波束指向發(fā)生偏差等。（3）陣中單元的輻射阻抗和輸入阻抗不同于自由空間，隨波束掃描變化而變 化，從而使陣列與饋電網(wǎng)絡產(chǎn)生嚴重失配。v.w.h

51、.changr121采用積分方程技術求解 相控偶極子有限陣列的精確解時，分析了陣列單元的電流分布和有源導納（active admittance）,結果表明陣列掃描時有源導納變化非常明顯，從而導致陣列的嚴重失 配。大的反射系數(shù)將使發(fā)射機的頻率產(chǎn)牛漂移，或是使陣列在某些掃描空域出現(xiàn) 盲點，即不輻射也收不到能量。（4）陣列極化特性變壞。因此，對互耦進行定量研究，尋求陣列中單元阻抗 隨掃描角變化規(guī)律，選擇恰當?shù)钠ヅ浞椒ǎ嫾盎ヱ钣绊懞髮崿F(xiàn)單元預定激勵分布的途徑，是高質(zhì)量陣列 天線設計的關鍵刃。60年代末至70年代初，美國西屋公司在研制極低副瓣的 awacs天線（波導窄邊開縫陣列，副瓣達到-45db）時

52、，采用了克服互耦影響的 嶄新設計思想心】。他們在設計口徑分布時，事先就考慮了互耦問題。假定最后要 實現(xiàn)的復分布是f,這是一個能達到極低副瓣的分布。然后，在考慮互耦的前提下， 經(jīng)過計算機計算，得出另一個饋電復分布f1,各單元的饋電功率就按f1進行設計。 這個f1,在互耦的作用下能產(chǎn)生所需要的口徑分布f。這項新技術的關鍵是如何 在預先考慮互耦的情況下，從最后要求的分布f中求出f1。西屋公司的dick mccomas在phil hacker的指導下研究岀了一個能完成此任務的計算機輔助設計程 序。實踐證明，這種事先考慮互耦的設計方法是成功的。毫無疑問，它是天線設 計技術方面的一項重大突破。正因為如此，

53、這項技術一直保密了很多年，至今尚 未公布具體細節(jié)。電子科技大學工程碩士學位論文2.2.2互耦效應的分析方法陣列單元互耦的嚴格分析是復雜的電動力學問題，在數(shù)學解析上會遇到巨大 的困難，因此工程上常采用有一定精度的近似法對互耦進行分析。主要有逐元法 和周期結構理論兩類。逐元法是采用電路的觀點計算陣列天線的輻射特性和阻抗 特性，互耦效應的描述和求解可以借助于阻抗矩陣9網(wǎng)，也可以采用散射系數(shù)矩陣 rm】，雖然二者的表現(xiàn)形式不同，但由于都是解釋同一物理現(xiàn)象，可相互表述和轉 換。逐元法適用于小階數(shù)的矩陣求解，當陣列單元數(shù)較多吋，宜采用周期結構理 論。周期結構理論是將大陣看做無限周期結構，采用模式場理論并借

54、助于floquet 定理對互耦進行分析。下面對小陣研究中常用的互阻抗法和散射矩陣法進行介紹。2.2.2. 1互阻抗法兩個天線的互阻抗定義為單位電流激勵一個天線時，另一天線終端所感應的 開路電壓。在天線陣中互耦影響主要體現(xiàn)在天線單元阻抗及陣列阻抗的變化。陣 列的阻抗特性是與單元形式、幅相分布、饋電網(wǎng)絡和移相方式等因素有關的復雜 參數(shù)。陣列天線單元指定參考端口的電流和電壓有如下關系v = zi(2-38)式中，z為單元之間的阻抗系數(shù)方陣，其中對角線元素為自阻抗，其余為互阻抗。互阻抗的優(yōu)點是陣列屮的所有單元，包括邊緣單元都能求得阻抗數(shù)值。這對 于單元數(shù)不多的陣列較為方便，但是由于該方法建立在感應電動

55、勢法的基礎上， 要求陣列由工程上不易實現(xiàn)的預想恒定功率源進行饋電，因而分析的結果有先天 的近似性。此外，該方法需要對陣列單元進行窮舉計算。對于大陣，高速大容量 計算機可能也難以勝任，因而這種方法適用性有限。但是它的分析指導，可以引 出規(guī)律性的啟示。設在xy平面上，矩形平面相控陣天線由(2m+1) x (2n+1)個單元組成， 沿x、y軸方向的單元間距分別為久、dy, mn號單元的輸入阻抗乙"為(2-39)1加"p= q=式中，zmn加為mn號單元的自阻抗；z加內(nèi)(m工或心q)為mn號單元與西號單 元的互阻抗；.為兇號單元的激勵電流。設陣列等幅激勵，即5二1,而沿x軸和y軸方

56、向相鄰單元有線性累進相位，mn = exp-jk(jndx cosq + ndy sin(|) sin 0 則mn號單元的有源輸入阻抗z加和反射系數(shù)心分別為(2-40)(2-41)m nz泗=y y z叫旳 cxpjk(m - p)dk cos© + (n- q)dy sin(|)sine )m =-/v陣列屮心單元(m = n = 0)的有源輸入阻抗為m n% =工 x zg exp-jk(pdx cos© +姚 sin(|)sin0(242)p=-m q=-n2. 2. 2. 2散射系數(shù)法陣列天線的散射系數(shù)s是以微波網(wǎng)絡觀點描述各單元入射波電壓a、反射波電 壓b關系的參

57、量。在相控陣天線中，散射系數(shù)是掃描角的函數(shù)，有b = sa(2-43)式中，s為單元之間的散射系數(shù)方陣，其中對角線元素&呦為加號單元的反射系數(shù), sllul(m h斤)為m號與n號單元的傳輸系數(shù)。對于由(2m+1) x (2n+1)個單元組成的矩形平面相控陣天線，式(243)為(2-44)m nsmn'pqqpqp=-m q=-n式中，勺刈為pq號單元的入射波電壓幅值，為加號單元的反射波電壓幅值。s叭兇為用單位振幅激勵枷2號單元后，其余單元端接兀配負載時，pq號單元的散 射系數(shù)(或耦合系數(shù))。假設激勵陣列各單元的入射波電壓幅值相等且為1,而相位按掃描角ee)線 性累進，則號單元的入射波電