趙 駿，李 蔚

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001；2.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073）

在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，陣列天線因?yàn)榉较驁D靈活可調(diào)控而得到了越來越廣泛的運(yùn)用。通過對(duì)離散陣列天線各天線單元的間距、激勵(lì)幅度和相位進(jìn)行調(diào)整，可滿足不同的方向性需要，用以形成特定的方向圖、實(shí)現(xiàn)掃描或其他特殊性能。由方向圖乘積定理[1]可知，天線陣的方向性函數(shù)D(θ,φ)可以表示為單元天線方向性函數(shù)f(θ,φ)和陣因子方向性函數(shù)F(θ,φ)的乘積：

式中，陣因子方向函數(shù)F(θ,φ)是陣中各天線元的位置、激勵(lì)電流幅度和相位的函數(shù)。假設(shè)天線陣中各個(gè)天線元互相間的耦合很小，可以忽略不計(jì)，則所有陣元應(yīng)該具有相同的方向性函數(shù)。因此，在陣元已經(jīng)選定的情況下，要控制整個(gè)天線陣的方向圖，只要合理地調(diào)控陣因子的方向性函數(shù)即可。

1 方向圖電控制

由于單一天線的方向圖形式單一，且無法通過控制衰減和相位隨意改變其主瓣方向，因而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于天線方向圖的電控制。對(duì)此，可以采用多個(gè)陣元天線通過一定的相位、衰減組合，有效地克服該難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體方向圖的電控制。方向圖電控制的優(yōu)勢在于：不需要天線本身進(jìn)行機(jī)械上的運(yùn)動(dòng)，只需要調(diào)整各個(gè)陣元的相位與衰減，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主瓣位置、主瓣方向以及天線增益等各方面的調(diào)整。

方向圖電控制可以用于調(diào)控陣列天線主瓣出現(xiàn)的位置及幅度。由于陣列天線整體長度相對(duì)于介質(zhì)內(nèi)波長較長，若將陣列天線發(fā)射出的微波信號(hào)作為觀測方所觀測到的一個(gè)目標(biāo)，則其主瓣出現(xiàn)位置的不同將可以模擬目標(biāo)在角度上的變化情況。

目前，對(duì)陣列天線的研究較為成熟，對(duì)于各個(gè)不同波段的陣列天線方向圖的控制都產(chǎn)生了一些不錯(cuò)的方法[2-4]。由于陣列天線的各陣元間距離普遍較近，而陣元數(shù)又眾多，多個(gè)陣元天線相互間的耦合是必然存在的。而互耦的計(jì)算十分繁瑣，在許多理論計(jì)算及設(shè)計(jì)中都將其忽略，這樣做帶來的影響則是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果不一致，甚至存在較大偏差。之后，也出現(xiàn)了將陣列天線中的基本單元二元陣作為研究重點(diǎn)來研究陣列天線整體特性的方法[5-6]。以下將探究根據(jù)陣元的位置，每次只讓相鄰的2個(gè)陣元工作，即二元陣交替激勵(lì)來調(diào)整整個(gè)陣列天線的方向圖的方法，及其在簡化運(yùn)算、減小理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異等方面的有效性與可行性。

2 陣列天線方向圖調(diào)控方法設(shè)計(jì)

2.1 陣列天線的構(gòu)成

選取矩形微帶貼片天線作為陣元天線，微波頻段為X波段，波長λ為厘米級(jí)。關(guān)于微帶貼片天線的設(shè)計(jì)，在特定的波段有特定的方法[7-11]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的闡述，為了保持饋電的穩(wěn)定性以及有效地調(diào)控多次諧波，將矩形微帶天線的長和寬均設(shè)計(jì)為0.49λ ≈λ/2，則有其H 面的歸一化方向性函數(shù)為[13]

其H 面的歸一化方向圖如圖1所示。

圖1 矩形微帶貼片天線H 面的歸一化方向圖Fig.1 Rectangular microstrip patch antenna H normalized pattern

由于該矩形微帶天線的長和寬均為λ 2，為了減小耦合的影響，適當(dāng)選取各陣元之間的間距L。又考慮到間距L 與波長λ的比值會(huì)直接影響陣因子方向圖，因而折衷選取間距L 與波長λ的比值為1.562 5。此時(shí)，若激勵(lì)幅度與相位均相同，則根據(jù)方向圖乘積定理，得到二元陣的H 面歸一化方向圖，如圖2所示。

圖2 激勵(lì)幅度與相位相同時(shí)二元陣H 面歸一化方向圖Fig.2 Binary antenna H normalized pattern while the amplitude and phase of excitation are the same

將這樣的微帶貼片天線按照間距L 在一條直線上進(jìn)行排列，構(gòu)成陣列天線如圖3所示，其方向圖由相鄰的2個(gè)陣元形成的二元陣交替工作形成。

2.2 陣列天線方向圖調(diào)控方法的設(shè)計(jì)

該由二元陣交替激勵(lì)組成的陣列天線，要測試其對(duì)天線方向圖的調(diào)控能力，可以采用等幅掃描的方法，即控制陣列天線的方向圖主瓣位置在天線陣所在直線上移動(dòng)，且主瓣最大幅度保持不變。

設(shè)定接收測試點(diǎn)在陣列天線的法線上距離天線長度為R，由于二元陣的間距L相比于R很小，令L/R=tan α ≈α=0.017 5 rad=1°，其中α為觀測角（例如L=50 mm時(shí)，R=2 850 mm）。則從接收測試點(diǎn)看來，1個(gè)二元陣所占的角度約為1°。

如把每個(gè)二元陣等分為10段，則在二元陣上得到11個(gè)端點(diǎn)。設(shè)二元陣的激勵(lì)信號(hào)功率為P，經(jīng)過3 dB功分器平均分配給2個(gè)陣元天線，則每個(gè)陣元的初始輸出功率為P-3（dBm），通過衰減器控制2個(gè)陣元天線的衰減量分別為A1和A2，則在天線匹配的情況下，總輻射功率為

要實(shí)現(xiàn)等幅掃描，就要使總輻射功率始終相同。其中主瓣落在一個(gè)陣元上時(shí)，總輻射功率為P-3，以此為標(biāo)準(zhǔn)有：

要控制二元陣方向圖的主瓣在這些端點(diǎn)上等幅移動(dòng)，可設(shè)置11組陣元天線激勵(lì)的相對(duì)衰減，見表1。

表1 陣元激勵(lì)相對(duì)衰減Tab.1 Relative attenuation of antenna units

3 數(shù)值結(jié)果

為了驗(yàn)證基于二元陣交替激勵(lì)的陣列天線方向圖調(diào)控方法的可行性，用10個(gè)陣元天線組成了長度為9L的陣列天線。在陣列天線的法線上距離天線長度為R的接收測試點(diǎn)上接收天線輻射信號(hào)，運(yùn)用表1中的激勵(lì)衰減量，并保持激勵(lì)相位的一致，測出天線的方向圖數(shù)據(jù)。運(yùn)用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論仿真作圖進(jìn)行比較，可以得到實(shí)際效果與理論推導(dǎo)的偏差。在1個(gè)二元陣單元中，根據(jù)方向圖主瓣的移動(dòng)已把二元陣在陣列天線的軸向上分為10 段共11個(gè)端點(diǎn)，由于對(duì)稱性只須對(duì)一側(cè)的6個(gè)端點(diǎn)的情況進(jìn)行分析即可，從二元陣中點(diǎn)到端點(diǎn)的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果H 面歸一化方向圖分別如圖4中a）～f）所示。由圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的H 面歸一化方向圖中主瓣位置與理論推導(dǎo)較為一致，副瓣電平也與理論推導(dǎo)大致相同。不同的是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，方向圖的0°與180°方向上出現(xiàn)了很小的旁瓣，這也是微波天線實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，主要是由于天線本身方向性的不完美造成的。另外，實(shí)驗(yàn)所得的方向圖的形狀與理論推導(dǎo)的略微不同，但是都在可以接受的范圍之內(nèi)。主瓣在不同位置時(shí)接收點(diǎn)測得的最大功率即主瓣的最大功率分別為-43.1 dBm、-43.6 dBm、-45.2 dBm、-43.7 dBm、-42.8 dBm和-44.9 dBm。顯然，運(yùn)用該方法可實(shí)現(xiàn)在1個(gè)二元陣中的等幅掃描。

圖4 理論與實(shí)驗(yàn)H 面歸一化方向圖比較Fig.4 Comparison of H normalized pattern in theory and experiment

當(dāng)不同二元陣交替激勵(lì)時(shí)，主瓣位置從1個(gè)二元陣過渡到另1個(gè)相鄰的二元陣上。通過與上述類似的主瓣最大功率的測量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出主瓣是等幅移動(dòng)的，而天線方向圖則是以二元陣為單位進(jìn)行類周期性的變化。其中在9個(gè)長度為L的二元陣中最具有代表性的主瓣在中點(diǎn)時(shí)的H 面歸一化方向圖依次如圖5中各圖所示。

圖5 各二元陣中點(diǎn)H 面歸一化方向圖Fig.5 H normalized pattern in each binary antenna

4 結(jié)論

本文從二元陣的結(jié)構(gòu)及方向圖入手，結(jié)合公式推導(dǎo)，得出了一種基于二元陣交替激勵(lì)的陣列天線方向圖調(diào)控方法。并通過實(shí)際測試得到陣列天線的方向圖數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件得出其各個(gè)狀態(tài)下的方向圖，與理論推導(dǎo)的情況有較高的吻合度，證明了該種方法在控制陣列天線的方向圖方面的可行性。另外，由于采取二元陣交替激勵(lì)的方法，有效地降低了運(yùn)算難度，并較為有效地避免了陣元之間的互耦。另一方面，此種方法在個(gè)別位置略微降低了天線方向圖的尖銳度，產(chǎn)生了一定的副瓣，并不適合于對(duì)方向圖的定向性有很高要求的情況，這是需要進(jìn)一步深入研究的一個(gè)問題。

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