一種微帶相控陣天線的設計與仿真

一種微帶相控陣天線的設計與仿真

0具有突出的優(yōu)勢相控制矩陣天線利用矩陣元素的貢獻來控制波束的形成、分解和方向。與其他天線相比，波束控制得非常好，系統(tǒng)反應速度快，干擾模式靈活，有效輻射能力大，工作可靠性高，故障排除能力強。目前,國內相控陣技術已經逐漸應用于各種戰(zhàn)術雷達,隨著固態(tài)微波組件的成本逐漸降低,相控陣天線技術的應用將得到更快的發(fā)展。1電掃相控陣天線相控陣天線有多種類型,頻率掃描天線陣、光控相控陣、多波束有限相掃相控陣、電掃相控陣等。頻掃陣列天線應用改變發(fā)射機頻率而達到波束掃描的目的,當頻率改變時,相位差改變,天線陣的波瓣指向改變,即波瓣進行掃描;光控相控陣采用光學技術控制陣元相位,實現(xiàn)波束掃描;多波束相控陣即“準相控陣”,采用固定波束形成網絡和簡單開關網絡(在固定波束位置之間選擇)構成典型的同時多波束天線(MBA),透鏡饋電與矩陣饋電是無源波束形成網絡的兩種饋電形式。電掃相控陣天線是利用波束控制系統(tǒng)控制陣列中各個輻射單元之間的相位差,使得天線波束在空間有規(guī)律掃描。典型的電掃相控陣的基本組成大致有三部分:輻射陣列、移相單元、饋電網絡。電掃相控陣天線體制分類及特點,如表1所示。在某些場合為了降低天線的成本,綜合考慮天線成本與性能,可以采用混合技術相控陣。比如,天線陣用帶有移相器的裂縫波導陣實現(xiàn)波束的方位面掃描,通過配置在裂縫陣前面的透鏡進行波束的俯仰面掃描。混合技術相控陣不需要在每個輻射單元后面使用移相器或T/R組件,而是利用行—列相位控制簡化對波束的控制,降低天線陣的成本。相控陣天線的性能在很大程度上決定了雷達、EW(電子戰(zhàn))和通訊系統(tǒng)的性能。在過去的幾年里,由于固態(tài)微波組件成本的快速下降和性能的不斷提高,固態(tài)有源相控陣天線已成為相控陣雷達天線的發(fā)展方向。2相序陣列中陣列距離的選擇和方向圖的理論計算2.1單元間距的確定在相控陣天線輻射陣面設計中,抑制柵瓣是一項主要要求,在掃描過程中,為了使柵瓣不進入可見空間必須適當選擇單元間距。天線單元排列方式有矩形排列和三角形排列,不同排列方式決定不同的單元間距。(1)最大掃描角x設dx、dy分別為x、y方向的單元間距,dx、dy應滿足式(1):dx=dy<λ01+|sinθm|(1)式中:θm為最大掃描角;λ0為中心頻率點波長。(2)天線單元數(shù)目三角形排列可看成是兩個矩形排列之和。假定兩個矩形排列的輻射單元間距為2dx、2dy,其中dx、dy分別為兩子陣列的垂直和水平間距,則dx、dy滿足式(2):(λ02dx)2+(λ02dy)2??????????????√=1+sinθm(2)與矩形排列的天線相比,在同樣不產生柵瓣的掃描角度范圍內,天線單元數(shù)目可減小約10%。2.2掃描方向圖的計算分析14元線陣在±60°范圍內不出現(xiàn)柵瓣,選擇d=0.51λ0,計算14元均勻激勵等間距線陣的掃描方向圖如圖1所示,圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)分別是掃描角為0°、30°、60°的方向圖。為了比較不同單元數(shù)線陣的掃描性能,計算了相同間距的四元線陣的掃描方向圖,如圖2所示。比較圖1、圖2的掃描方向圖,可知單元數(shù)目越少,天線掃描角度越有限。2.3天線掃描角的影響計算矩形排列4×4陣列的掃描方向圖如圖3所示,圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別是掃描角為0°、30°、45°的方向圖。三角形排列4×4陣列的掃描方向圖如圖4所示,圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別是掃描角為0°、30°、60°的方向圖。矩形排列4×4陣列掃描角為0°時波束寬度為26°,由于陣列單元數(shù)少,掃描到45°時天線的性能已經很差,掃描到60°時,天線的后瓣與主瓣一樣。比較圖3、圖4的掃描方向圖,可見同樣陣元數(shù)的陣列,三角形排列的陣列掃描性能比矩形排列好。圖5為160單元三角形排列組成的圓形陣列天線,掃描角分別為0°、30°、60°的方向圖,可見隨著天線單元數(shù)目增加,陣列越大,波束掃描方向圖性能越好。同時,從計算方向圖可以看出,對于不同的掃描角θ0,半功率波瓣寬度會發(fā)生變化,一般規(guī)律,隨著主瓣由邊射向端射方向掃描,主瓣展寬,增益下降。31微帶相位控制矩陣的設計與模擬3.1輻射單元仿真固態(tài)有源相控陣的基本組成有三部分,即:輻射陣列、移相單元、饋電網絡。輻射陣列的設計決定了相控陣天線的掃描性能。陣列天線的輻射單元主要有振子型、開口波導型、介質波導型、微帶貼片型、波導縫隙型和印刷振子型等。各種類型的輻射單元均有其優(yōu)缺點,適用范圍也有所不同。微帶振子型單元形式重量輕,尺寸小,便于和后續(xù)電路集成,單元波束寬度較寬,比波導形式好。微帶振子型輻射單元有多種變形,如圖6所示。圖6(a)輻射單元為準八木型微帶天線,結構簡單緊湊,易于集成到微帶電路中去,駐波小于2的帶寬有48%。主要由兩部分組成:輻射部分和饋電部分。輻射部分包括印刷偶極子和引向器,饋電部分是微帶線到共面帶線(CPS)的轉換,微帶線的兩個臂相差半個波長,以實現(xiàn)共面帶線的奇模激勵,因而起到寬帶巴倫的作用,微帶線背面截斷的接地面起到反射器的作用。去掉引向單元,也可以構成印刷偶極子天線,如圖6(b)所示。如圖6(c)為微帶蝶型天線,在同樣頻率下更易實現(xiàn)小型化。準八木型微帶天線尺寸小、增益高、波束寬度寬,重點對以準八木型微帶天線形式作為輻射單元的相控陣天線陣面進行設計和仿真。采用AnsoftHFSS軟件進行仿真計算,準八木型微帶天線單元的輻射方向圖仿真結果如圖7所示。如圖7,天線E面、H面波束寬度都大于120°,頻段內天線駐波小于1.5。采用準八木型微帶天線作為輻射單元,按矩形排列和三角形排列兩種情況分析和比較16元小陣的方向圖及掃描特性,并對160單元按三角形排列組成的圓形陣列進行仿真。3.2波束橫斷面為0時方向圖準八木型微帶天線單元按矩形排列的16元小陣仿真模型及仿真結果如圖8所示。圖8(a)為矩形排列的16元小陣仿真模型;如圖8(b)為掃描角為0°時方向圖,波束寬度約24°,增益約16dB;掃描角為-15°時極坐標方向圖如圖8(c),隨著掃描角度的加大,副瓣升高,主副瓣比大于10dB;掃描角為+40°時極坐標方向圖如圖8(d),增益約14dB,主副瓣比約4dB;掃描角度繼續(xù)變大,掃描到50°時,副瓣跟主瓣相同。可見矩形排列的16元小陣掃描角度有限,小于±30°,與理論分析結果吻合。3.3各方向圖、主副瓣比按三角形排列的16元小陣仿真結果,如圖9所示。當掃描角為+50°、-50°時方向圖分別如圖9(a)、圖9(b),主副瓣比大于4dB。對于同樣數(shù)目的天線陣列,三角形排列的天線波束掃描性能優(yōu)于矩形排列的天線波束掃描性能,仿真結果與理論分析結果吻合。3.4描角為0的立體方向圖對160單元按三角形排列組成的圓形陣列進行仿真,仿真結果如圖10、圖11所示。圖10是掃描角為0°的立體方向圖,圖11是掃描角為30°的立體方向圖。分析計算結果,當波束掃描到30°時,H面方向圖波束寬度增加約1°,副瓣電平上升約2dB,天線增益下降約1dB。分析不同單元天線陣列的仿真結果也驗證,隨著天線單元數(shù)目增加,陣列越大,波束掃描方向圖性能越好。4關鍵技術研究通過對陣列方向圖理論計算,分析了不同單元數(shù)陣列性能和不同排列方式的陣列性能,并對微帶相控陣輻射陣面進行仿真,對比分析了不同排列方式、不同單元