向 前，王 萌

(1.海軍駐武漢七〇一研究所軍事代表室，湖北武漢 430064;2.中國艦船研究院，北京 100192）

相控陣天線方向圖仿真方法評(píng)估

向 前1，王 萌2

(1.海軍駐武漢七〇一研究所軍事代表室，湖北武漢 430064;2.中國艦船研究院，北京 100192）

相控陣天線方向圖是天線的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于評(píng)估艦船關(guān)鍵區(qū)域的場(chǎng)分布以及電磁兼容性也有重要的參考價(jià)值。因此作者針對(duì)2種相控陣天線的仿真方法，即全波仿真分析法、方向圖乘積法進(jìn)行研究，評(píng)估2種方法的精度差異。

相控陣天線;方向圖;仿真方法

0 引言

天線所輻射的無線電波在空間上的分布通常不均勻，這就是天線的方向性。天線的輻射方向圖(簡稱方向圖）是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。所謂輻射參量包括輻射的功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。在通常情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)［1］。

對(duì)于相控陣天線而言，方向圖是天線的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著水面艦艇相控陣天線數(shù)量的增加，研究相控陣天線的方向圖計(jì)算方法具有越來越重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此作者在此研究相控陣天線方向圖的仿真方法，提出工程中切實(shí)可行的計(jì)算方法，為評(píng)估水面艦艇電磁環(huán)境，分析可能存在的單艦和編隊(duì)電磁干擾提供參考。

1 相控陣天線方向圖的全波仿真分析方法

矩量法是一種求解線性方程的方法［2］。對(duì)于方程:

式中:L為線性算子;g為已知函數(shù);f為未知函數(shù)。令f在L的定義域中展開為f1，f2，f3…的組合，如

在嚴(yán)格的矩量法步驟中，應(yīng)當(dāng)把所處理問題中的所有物體都取走，而代之以自由空間輻射的等效電磁流［3］。因此，當(dāng)要求出第m個(gè)檢驗(yàn)函數(shù)對(duì)第n個(gè)基函數(shù)產(chǎn)生的場(chǎng)反應(yīng)時(shí)，只需要考慮通過最短的自由空間路程直接到達(dá)第m個(gè)檢驗(yàn)函數(shù)的場(chǎng)，因?yàn)檫@是唯一有可能的場(chǎng)。但如果在某種情況下把所處理問題中部分物體保留下來而不用等效電磁流取代它，則阻抗矩陣元素的計(jì)算就有些復(fù)雜了。假設(shè)Zmn'是新的阻抗元素，則式中Wm對(duì)L(Jm）的反應(yīng)可以解釋為有檢驗(yàn)源Wm對(duì)由實(shí)際源直接到達(dá)的場(chǎng)的反應(yīng)以外，還要加上檢驗(yàn)源對(duì)由實(shí)際源通過其他途徑到達(dá)檢驗(yàn)源的場(chǎng)的反應(yīng)。因此新的阻抗矩陣可以寫為

式中:Ei為直接到達(dá)m區(qū)的入射場(chǎng);CEi則為從源經(jīng)過一個(gè)物理過程g再到達(dá)m區(qū)的場(chǎng)。

于是:

其中I'為在某種散射機(jī)制存在時(shí)發(fā)射天線上的電流。

采用矩量法進(jìn)行計(jì)算需要對(duì)天線模型，按照目前流行的RWG方式按照0.2λ進(jìn)行剖分［4］，結(jié)果如圖1所示。

圖1 相控陣天線剖分模型Fig.1 Model of anay antema

根據(jù)相控陣天線的工作頻率，賦予各單元一定的幅度和相位激勵(lì)，仿真計(jì)算得到相控陣天線仿真方向圖如圖2所示。

圖2 相控陣天線仿真方向圖Fig.2 Pattern of anay antenocc

2 相控陣天線方向圖的乘積定理分析法

天線單元的方向圖如圖3所示。

圖3 天線單元方向圖Fig.3 Pattern of phased array antenna unit

如圖4所示的天線陣，x方向有Nx個(gè)單元，y方向有Ny個(gè)單元，設(shè)編號(hào)為 (i，j）單元的坐標(biāo)為(xi，yj），則有

圖4 陣列天線示意圖Fig.4 Phased array aatenna

設(shè)場(chǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，y0，z0），則某個(gè)單元和場(chǎng)點(diǎn)之間的距離為

3 相控陣天線方向圖

采用方向圖乘積定理，仿真計(jì)算得出某相控陣天線的方向圖如圖7所示。

圖5 相控陣天線方向圖Fig.5 3D pattern of phased array antenna

圖6 相控陣天線俯仰面二維方向圖Fig.6 2D pattern of phased array antenna

為了便于比較方向圖的差異，用2種方法計(jì)算俯仰面二維方向圖并進(jìn)行數(shù)值比對(duì)。方位面的方向圖都是標(biāo)準(zhǔn)的圓形或者8字形，因此只需要對(duì)比俯仰面即可，比對(duì)結(jié)果如圖8所示，方向圖大部分方向上，誤差小于1 dB，可以滿足實(shí)際工程的需要。

4 結(jié)語

本文研究對(duì)比全波方法與方向圖乘積方法計(jì)算相控陣天線方向圖。通過對(duì)比表明，對(duì)于大型陣列天線，采用方向圖乘積方法計(jì)算精度高、計(jì)算速度快，是工程中一種較實(shí)用的方向圖計(jì)算方法。

［1］魏文元，宮德明，陳必森.天線原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［2］HARRINGTON R F.Field computation bymomentmethods［M］.MacMillan，New York，1968.

［3］哈林登 R F.計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法［M］.王爾杰，等譯，北京:國防工業(yè)出版社，1981.

［4］RAO SM，WILTON D R，GLISSON A W.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape［J］.IEEE Trans.1982，30(3）:409 －418.

Themethod of the phased array pattern computation

XIANG Qian1，WANG Meng2
(1.Navy Representative Office of Navy in The 701 Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

The pattern is important to phased array，so the author study on the simulation method of phased array pattern，and present the feasible method.By evaluating the different method，the author presents a suitablemethod for the engineer.

phased array;pattern;computation method

TN821+.8

A

1672－7649(2014）04－0120－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.025

2013－10－10;

2014－02－20

向前(1978－），男，博士，工程師，從事武器系統(tǒng)運(yùn)用工程研究。