葛朝鋒

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

二維相控陣雷達被人們廣泛的應(yīng)用在民用和軍事設(shè)備中，二維有源相控陣雷達是一個十分重要的發(fā)展方向，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對雷達新的需求以及數(shù)字集成電路、微波技術(shù)、信號技術(shù)的發(fā)展，二維有源相控陣雷達成為先進三坐標雷達的重要發(fā)展方向。寬帶寬掃描角在掃描的時候?qū)﹃嚵刑炀€的設(shè)置有著較高的要求。在具體研究設(shè)定時候要充分研究天線單元、單元耦合和寬度角匹配問題。在具體分析的過程中要注重展現(xiàn)天線單元的有源方向圖。為此，文章在闡述相控陣天線原理的基礎(chǔ)上就二維寬帶寬角掃描相控陣天線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用要求和應(yīng)用仿真設(shè)計問題進行探究。

1 相控陣天線的原理分析

相控陣天線由天線陣列、相位和幅度調(diào)制器共同組成，在具體實施操作的時候能夠借助波束系統(tǒng)來控制天線操作單元和信號設(shè)定情況，并在設(shè)置的過程中改變陣列口徑的照射函數(shù)，根據(jù)整個系統(tǒng)的運作需要來整合資源力量形成波束掃描陣列系統(tǒng)。

相控陣列天線由天線陣列、相位、幅度控制器、計算機系統(tǒng)、波束控制系統(tǒng)組成。天線作為系統(tǒng)空間電磁波和系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換器，在使用的時候描述了天線輻射空間的主要控制電磁波，在特定的空間范圍內(nèi)會形成波束快速掃描能力。

2 寬帶寬角掃描相控陣天線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求

針對研究制作的二維寬帶掃描相控陣天線陣列模式，饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的功分網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計的時候要著重做好以下幾個方面的工作：第一，提升網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸效率。在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中，系統(tǒng)中的線路使用損耗直接影響寬帶寬角掃描相控陣天線的傳輸速率，這種損耗具體體現(xiàn)在能耗的吸收和能耗的重新分配處理。損耗的吸收一般是指在周圍導(dǎo)體電阻作用下，歐姆傳輸線使用所引起的介質(zhì)損耗。第二，較寬的頻帶設(shè)置。在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時候為了能夠增強各個天線系統(tǒng)使用的抗干擾性，需要將寬帶寬角掃描相控陣天線設(shè)置的寬敞一些，并為寬帶寬角掃描相控陣天線的設(shè)計提供足夠的寬帶支持。第三，幅相一致性良好。寬帶寬角掃描相控陣天線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的移相器會具備相同的相移量，衰減器在保證同等衰減量的情況下能夠為各個支路的運作提供重要的支持，從而能夠有效規(guī)避因為各個支路幅相不一致所引起的天線波束位移問題。

3 寬帶寬角掃描相控陣天線陣列的分析和設(shè)計

3.1 天線陣列的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小

在寬帶寬角掃描相控陣天線安排布置的時候需要嚴格遵循天線陣元布置標準，按照整個項目規(guī)定的指標來設(shè)定平臺的尺寸大小。在具體實施操作的時候為了能夠保證平臺的設(shè)計滿足規(guī)范的標準，需要結(jié)合實際來制定出規(guī)范的標準，在標準的約束和規(guī)范下對寬帶寬角掃描相控陣天線進行布局設(shè)計。按照整個項目指標的設(shè)定要求進行平臺的設(shè)計。為了能夠統(tǒng)一天線高增益波束和波束二維寬角掃描指標的科學(xué)，寬帶寬角掃描相控陣天線在排列的時候需要設(shè)計成6x6的矩陣柵格偵查，為每個天線陣元的設(shè)計提供足夠的電力支持。

3.2 相控陣天線的波位配置

所設(shè)計的相控陣天線采用數(shù)字移相器來進行移位控制，數(shù)字移相器的相位會按照一定的步進量發(fā)生躍變，所以陣列天線饋電的相位分布是離散的。這樣陣列的天線波束掃描具備離散性的屬性。

相控陣天線掃描波位在掃描范圍內(nèi)的分布情況直接影響相控陣系統(tǒng)信號處理性能和能量資源優(yōu)化。波束躍度比較小，在使用的時候能夠減少小天線波束形狀造成的調(diào)制損失。對相控陣天線波位配置的目的是在相控陣天線性能損失和數(shù)據(jù)處理能力之間選擇一種最優(yōu)解。

4 二維寬帶寬角掃描天線陣面設(shè)計

4.1 寬帶寬角掃描天線陣面單元天線

對寬帶寬角掃描陣列天線的研究是一個熱門問題，寬帶寬角掃描陣列天線研究的關(guān)鍵是陣列單元的選取。按照寬帶寬角掃描陣列天線技術(shù)要求，天線陣元需要選擇阻抗頻帶寬，方向圖波瓣的寬度較大的天線單元。

VivaLdi天線是一種按照曲線漸變的開槽天線，整個天線在設(shè)計的時候擁有極大的阻抗頻帶，十分適合用作相控陣天線輻射單元。文章采用帶狀線-槽線的饋電結(jié)構(gòu)來設(shè)計VivaIdi單元天線，天線結(jié)構(gòu)由兩層介質(zhì)構(gòu)成，饋電線位于兩個介質(zhì)層之間，介質(zhì)層的兩邊為指數(shù)漸變的輻射槽縫。介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.55，厚度為0.5mm。

寬帶寬角掃描相控陣天線的最上部分介質(zhì)基板會牽扯到各個支路端口，具體涉及到的內(nèi)容有階梯狀的金屬圓柱探針、中心饋線端口、中心饋線支持下的饋電端口加載容性圓盤、波導(dǎo)同軸上部分腔體的金屬壁、下介質(zhì)基礎(chǔ)板、各個支路端口。在具體設(shè)計的時候，寬帶寬角掃描相控陣天線上下介質(zhì)基礎(chǔ)板之間的電力介質(zhì)常數(shù)在2.65左右。

4.2 寬帶寬角掃描天線陣面的陳列設(shè)計

小型陳列天線的設(shè)計對雷達天線的控制和大型陣列布置發(fā)揮出了十分重要的作用，小型陣列分析主要會涉及到陣列單元間互耦影響下中心單元的輻射特性和有源反射系數(shù)特性。考慮到單元之間距離越遠，互耦效應(yīng)越小，陣列邊緣單元天線對中心單元的影響比較小。一般情況下，設(shè)計中心單元距離陣列邊緣兩個到三個波長的小型陣列能夠獲得模擬大型陣列天線的性能特性。利用AnsoftHFSS軟件仿真優(yōu)化計算得出的基本參數(shù)，其中通過改變振子的長度和寬度來調(diào)節(jié)VivaLdi天線陣的頻率變化，通過改變饋電點的位置可以調(diào)節(jié)VivaLdi天線的阻抗匹配。最后確定優(yōu)化后的天線單元體積小、結(jié)構(gòu)簡單，其寬度為21mm，高度為22mm。

4.3 互耦及陣列掃描特征分析

為了保證小陣能模擬陳列環(huán)境，選取11x11的小陣來模擬，從整個工程建設(shè)角度來看，在寬帶寬角掃描相控陣天線布置的過程中通過使用小陣試驗?zāi)軌蛑苯訙y量出各個單元的耦合系數(shù)，從而更為全面的了解整個系統(tǒng)運作的增益變化，了解VivaLdi天線的掃描特性。在計算分析的時候通過CST仿真軟件進行計算分析，在cst中對61號單元饋電提取出適合的耦合系數(shù)，進而編程計算出陣列中心單元的掃描特性。經(jīng)過仿真計算當有源駐波≤3的時候，即有源反射系數(shù)為0.5的時候能夠獲得陣列在H面可以掃描到±85度，存E面可以掃描到±80度，滿足指標要求，且在頻帶內(nèi)中心單元無源駐波在1.2以下，可以添加寄生柱后不僅拓展了E面波瓣寬度，而且也會由此減少了單元間的耦合影響。

4.4 小陣試驗

大型陣列中，絕大部分單元特征表現(xiàn)為陣列中心單元特性，整個中心單元的掃描特性能夠代表天線陣列掃描特性，使用小陣試驗的方式能夠預(yù)計陣列天線的掃描特性，避免了計算單元之間互耦所需的復(fù)雜編程。工程上會采用這種方式來開展陣列天線的設(shè)計，在設(shè)計的時候需要保證陣列天線的尺寸在5波長到6波長之間。在增益下降不超過3db基礎(chǔ)上，整個陣列H免災(zāi)6GHz最大能夠掃描47度，H面在8GHz最大能夠掃描80.4度，H面在10GHz最大能夠掃描78度，H面在12GHz最大能夠掃描83.4度。由此也充分證明，寬帶寬角掃描相控陣天線的運作頻率越高，在陣列增益下降到一定比值的時候，最大掃描角度也不一定會變小。

5 結(jié)束語

綜上所述，對每個單元的耦合系數(shù)進行綜合測試，在測試完成之后進行編程計算，經(jīng)過一系列地基計算獲得陣列掃描特性曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)在有源駐波≤3的時候，即有源反射系數(shù)為0.5的時候，陣列在H面就能夠掃描到±75度，在E面能夠掃描到±70度，由此滿足了方案指標要求，增大了掃描范圍。經(jīng)過一系列的分析設(shè)計出了寬帶寬角二維天線單元，整個測試理論和實踐測量結(jié)果比較精準，從而驗證了設(shè)計的精準性。