一種微帶相控陣天線的設(shè)計與仿真

一種微帶相控陣天線的設(shè)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(xiàn)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(yīng)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(qiáng)。目前,國內(nèi)相控陣技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)雷達(dá),隨著固態(tài)微波組件的成本逐漸降低,相控陣天線技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用改變發(fā)射機(jī)頻率而達(dá)到波束掃描的目的,當(dāng)頻率改變時,相位差改變,天線陣的波瓣指向改變,即波瓣進(jìn)行掃描;光控相控陣采用光學(xué)技術(shù)控制陣元相位,實現(xiàn)波束掃描;多波束相控陣即“準(zhǔn)相控陣”,采用固定波束形成網(wǎng)絡(luò)和簡單開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(在固定波束位置之間選擇)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。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(shù)相控陣。比如,天線陣用帶有移相器的裂縫波導(dǎo)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(jìn)行波束的俯仰面掃描。混合技術(shù)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(dá)、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?yán)走_(dá)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(shè)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(jìn)入可見空間必須適當(dāng)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?jīng)Q定不同的單元間距。(1)最大掃描角x設(shè)dx、dy分別為x、y方向的單元間距,dx、dy應(yīng)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(chǎn)生柵瓣的掃描角度范圍內(nèi),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(nèi)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(jīng)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(shè)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(wǎng)絡(luò)。輻射陣列的設(shè)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(dǎo)型、介質(zhì)波導(dǎo)型、微帶貼片型、波導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)八木型微帶天線,結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhǔn)八木型微帶天線尺寸小、增益高、波束寬度寬,重點對以準(zhǔn)八木型微帶天線形式作為輻射單元的相控陣天線陣面進(jìn)行設(shè)計和仿真。采用AnsoftHFSS軟件進(jìn)行仿真計算,準(zhǔn)八木型微帶天線單元的輻射方向圖仿真結(jié)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(nèi)天線駐波小于1.5。采用準(zhǔn)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(jìn)行仿真。3.2波束橫斷面為0時方向圖準(zhǔn)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(jié)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(biāo)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(biāo)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?？梢娋匦闻帕械?6元小陣掃描角度有限,小于±30°,與理論分析結(jié)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(jié)果,如圖9所示。當(dāng)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(jié)果與理論分析結(jié)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(jìn)行仿真,仿真結(jié)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(jié)果,當(dāng)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(jié)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(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行仿真,對比分析了不同排列方式、不同單元