秦晉平，史 偉，王華旭，石海東

(1.海軍北海艦隊(duì)司令部，山東 青島 266071;2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

一種短波相控陣天線設(shè)計(jì)研究

秦晉平1，史 偉2，王華旭1，石海東2

(1.海軍北海艦隊(duì)司令部，山東 青島 266071;2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

基于短波同相水平天線，設(shè)計(jì)出一種短波相控平面陣列天線。該天線陣為矩形柵格平面陣天線，采用4(4個(gè)半波振子作為輻射單元。通過(guò)改變天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)移相量，改變天線陣波束指向，構(gòu)成一種方位波束可控的相控平面陣天線。對(duì)該相控平面陣天線進(jìn)行了深入的數(shù)學(xué)分析，求解輻射單元最佳激勵(lì)。計(jì)算仿真結(jié)果表明，該相控天線具有較好的阻抗特性及輻射特性，滿(mǎn)足給定方向上的短波通信要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

同相水平天線;相控陣;方向圖

0 引言

相控陣天線由多個(gè)天線輻射單元按一定方式排列構(gòu)成，每個(gè)輻射單元至饋電網(wǎng)絡(luò)之間接有源組件或無(wú)源移相器。相控陣天線能夠迅速改變波束指向，形成期望的方向圖，這是其他天線難以完成的功能。隨著天線技術(shù)發(fā)展和計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用，近年來(lái)相控陣天線技術(shù)在雷達(dá)、無(wú)線電通信等各種無(wú)線電系統(tǒng)中獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用［1］。無(wú)線電通信系統(tǒng)采用相控陣天線的主要目的是:使通信天線獲得高增益，形成定向性輻射波束，以提高通信的隱蔽性，或降低發(fā)信機(jī)功率及提高收信機(jī)靈敏度。在無(wú)線電通信領(lǐng)域，很多文獻(xiàn)對(duì)相控直線陣天線技術(shù)的分析研究較為深入，但較少文獻(xiàn)對(duì)相控平面陣天線技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行深入分析和研究［2－4］?；诮?jīng)典、成熟的短波同相水平天線，設(shè)計(jì)一種相控平面陣天線。本文對(duì)其進(jìn)行深入的數(shù)學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真。結(jié)果表明，該天線陣形成了所期望的、多個(gè)固定的高增益波束，阻抗特性較好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 相控陣構(gòu)建設(shè)計(jì)

平面陣天線輻射及波束特性好，但控制技術(shù)要求高。常見(jiàn)的平面陣天線是矩形柵格平面陣列天線，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于饋電。矩形柵格平面陣的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是同相水平天線陣，它是由M×N個(gè)等幅同相激勵(lì)的半波振子組成，每個(gè)振子作為1個(gè)輻射單元。構(gòu)建的矩形柵格平面陣天線采用4×4個(gè)半波振子為輻射單元。為展寬天線的頻帶特性，振子采用籠形振子設(shè)計(jì)，在陣后方增加反射網(wǎng)，天線陣垂直于地面架設(shè)。天線陣示意圖如圖1所示。

圖1 4×4單元天線陣示意圖Fig.1 The sketch of(4×4）unit antenna array

對(duì)天線陣每一列各振子同相饋電，同時(shí)對(duì)每一列饋電進(jìn)行移相，從而使天線陣在空間輻射形成波束。通過(guò)改變移相量，改變波束指向，即構(gòu)成一種波束方位可控的相控陣天線。

可進(jìn)行波束控制的發(fā)射天線陣列，在天線單元間存在強(qiáng)互耦的情況下，需要保證天線在不同頻率工作時(shí)各單元的阻抗特性平穩(wěn)，確保發(fā)射陣正常工作，并根據(jù)天線陣的方向圖波束寬度、波束指向、合成增益等指標(biāo)要求，盡可能縮小天線的結(jié)構(gòu)尺寸，盡量減少旁瓣和柵瓣。

根據(jù)以上要求，本天線陣設(shè)計(jì)的天線單元水平間距為0.65λ(λ為設(shè)計(jì)頻率f0的波長(zhǎng)），2層之間的距離為0.5λ，天線面離反射網(wǎng)的距離為0.25λ，天線離地高度為0.5λ。將每1列的4行振子通過(guò)等長(zhǎng)饋線同相饋電，合成后形成1個(gè)單列輸入端口，然后將每列的輸入端口通過(guò)移相電纜進(jìn)行移相，就可形成不同的波束指向。

2 相控陣天線數(shù)學(xué)分析

對(duì)于二維相控陣天線而言，當(dāng)天線輻射單元位于xoy平面上，由M×N個(gè)單元組成矩形柵格平面陣時(shí)，設(shè)mn號(hào)單元的激勵(lì)電流為Imnejφmn，方向圖函數(shù)為fmn(θ，φ），位置矢量為在觀察方向

若輻射單元在xoy平面上的位置排列等間距，則位置矢量為

式中:m與n為單元的序號(hào);d x與d y分別為單元在x方向和y方向的間距。要使陣列的波束最大值指向?yàn)?(θ0，φ0），則各單元的饋電相位應(yīng)為

當(dāng)兩維相控陣的2個(gè)主平面具有不同的副瓣電平，且天線口徑為矩形時(shí)，可以采用強(qiáng)制饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即單元mn上的幅度可表示成2個(gè)獨(dú)立系數(shù)的乘積。此時(shí)，式(4）中的Imn可表示成

顯然，矩形口徑兩維相控陣天線，可表示為2個(gè)獨(dú)立的 (可分離變量）一維相控陣天線方向圖的乘積。任意波束指向，可分別由前后2個(gè)一維相控陣天線級(jí)連后獨(dú)立的控相來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)考慮天線間互耦的情況時(shí)，需采用數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算天線間互耦以及各天線上的電流分布，并根據(jù)合成波束的最佳增益來(lái)計(jì)算天線的激勵(lì)及移相量［5］。

設(shè)在天線陣遠(yuǎn)處觀察點(diǎn)，有一線極化試驗(yàn)接收天線，它和天線陣組成1個(gè)(N+1）端口網(wǎng)絡(luò)，其各端口的電壓和電流有如下關(guān)系

式中:Vt，It為試驗(yàn)天線的端電壓和電流;［Va］，［Ia］為天線陣各端口的電壓和電流矩陣;Ztt為試驗(yàn)天線的輸入阻抗;［Zaa］為天線陣的阻抗矩陣;［Zta］和［Zat］為試驗(yàn)天線和天線陣端口之間的互阻抗矩陣。設(shè)天線陣的激勵(lì)電流為［I1，I2，…，IN］，試驗(yàn)天線開(kāi)路，則系統(tǒng)輸入的復(fù)數(shù)功率為

式(13）是一個(gè)本征值方程，求解方程的最大本征值和對(duì)應(yīng)的本征向量，即可求出最大增益對(duì)應(yīng)的天線陣最佳激勵(lì)。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

利用矩量法并結(jié)合相控陣的理論，對(duì)圖1所示的地面上4×4天線陣的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析計(jì)算［6］。在同相激勵(lì)時(shí)，由于天線之間的互耦，天線中間單元與邊緣單元的阻抗特性具有一定的差異，反映到天線端口間的駐波表現(xiàn)出不同的特性。圖2和圖3給出不同天線位置、不同頻率工作時(shí)的天線駐波特性的仿真計(jì)算結(jié)果。

圖2 天線陣中單元駐波比Fig.2 VSWR of themiddle units of the antenna array

圖3 天線陣邊單元駐波比Fig.3 VSWR of the side units of the antenna array

對(duì)每列4層偶極振子構(gòu)成的1組天線進(jìn)行同相饋電，形成4個(gè)天線輸出端口。通過(guò)移相，由該4列振子組構(gòu)成一水平面波束可控的相控陣天線，依據(jù)式(3）設(shè)置每列的移相量。天線陣在同相激勵(lì)時(shí)的最大增益為G，半功率波束寬度為2φ0。希望在掃描以后，天線掃描主波束方向的增益不低于同相激勵(lì)時(shí)的增益3 dB，為此，確定天線的掃描角增加量為φ0。通過(guò)計(jì)算仿真，形成3個(gè)掃描波束，使天線的波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的增益大于預(yù)期值。圖4為不同移相量形成的天線波束方向圖。

圖4 頻率f0時(shí)不同掃描角時(shí)的天線方向圖Fig.4 The antenna pattern of different scan angle when f0

在不同移相量情況下，在4個(gè)端口上的天線駐波比不同。隨著掃描角的變化，天線端口阻抗會(huì)發(fā)生變化，各口表現(xiàn)的駐波特性各不相同。通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整移相量可使得4個(gè)端口的駐波比小于2，滿(mǎn)足發(fā)射機(jī)正常工作的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理構(gòu)建相控平面陣天線，求解其最佳激勵(lì)，合理設(shè)計(jì)波束合成網(wǎng)絡(luò)，形成了期望的合成波束。計(jì)算仿真結(jié)果表明，天線增益高、阻抗特性好。通過(guò)6個(gè)固定掃描角的高增益波束，實(shí)現(xiàn)了天線輻射方向的寬波束覆蓋，滿(mǎn)足特定方向上的短波通信要求。該天線陣分析和設(shè)計(jì)方法，能為任意方向上高增益、駐波比小、波束覆蓋的短波通信相控陣天線設(shè)計(jì)提供借鑒作用。

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A research on the short wave phased array antenna

QIN Jin-ping1，SHIWei2，WANG Hua-xu1，SHIHai-dong2
(1.Navy North Sea Fleet Command，Qingdao 266071，China;2.Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

Based on the horizontal cophased shortwave antenna，a shortwave phased planar array is designed.The planar array is a rectangular grid array antenna.It uses(4(4）half-wave vibrators for radiation unit.By changing the phase shift amount of feed network of antenna array，the beam direction of antenna array is changed，so the horizontal cophased antenna is built.Thorough mathematical analysis the best excitation signal of radiation unit of the planar array has calculated.The result of calculation and simulation shows that the planar array has good impedance characteristics and radiation characteristics.It meets the requirements for shortwave directional communications and has the higher application value.

horizontal cophased antenna;phased array antenna;antenna pattern

TN821+.8

A

1672－7649(2014）05－0116－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.024

2013－12－10;

2014－02－25

秦晉平(1964－），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電通信工程與設(shè)計(jì)。