宽带相控圆阵天线设计与应用

随着技术的发展，对电子战和ELTNT/ECM 系统的功能提出了一系列新的要求，如具有迅速而准确的反应能力、同时监视和跟踪高速飞行的多目标的能力、交替地完成ELINT/ECM 功能的能力等。而相控阵天线是通过电控指令来改变天线各阵元的幅度和相位的，以阵列天线的贡献来实现对波束的形成、分合、指向的指令控制，它所具备的主要优点如下：

（1）反应速度快：微秒量级、灵活的角度覆盖。

（2）波束可控性强：波束能分、能合，指向任意控制。

（3）可靠性高：无机械转动部分，即使个别单元发生故障，整个天线也能照常工作。即使故障元占5%，也仅使其性能稍有下降。

（4）可实现组合工作：分成子阵，以不同形式对付同一目标或多个目标。

在主要用于满足雷达功能的相控阵天线中，它们多数采用平面阵，角覆盖区域为一个球冠，且一般频带较窄，所需的相位变化量大，馈电网络庞大、复杂。对于工程应用来说，由于频率宽开和角度覆盖宽开的需求，采用圆形相控阵天线。它的特殊优点是全方位覆盖，阵元安装在一圆柱面的圆周上，具有全对称的特性，分区激励，以步进的形式实现电扫来覆盖360°的方位角。圆形共面阵每次仅激励在90°范围的N/4个单元，各阵元的相位补偿量和延迟线移相器可提供的相移量是互补的，与频率无关，故天线在频率上是宽开的。在微秒量级内便能全方位扫描一次。扫描方式多样化，既可以实现单波束扫描，又可以实现多波束同时扫描。由于圆形共面阵的全对称性，可以采用分区激励和小移相量的补偿措施，使馈电网络比平面阵或直线阵更加简化。

圆形相控天线的N个阵元均匀分布在同一圆柱面的圆周上，利用不同的馈电网络，可以分成单波束扫描体制和多波束扫描体制。阵列组成如图8.34 所示。整个天线网络由辐射阵元、开关网络、可控移相网络、功率分配网络及相应的逻辑控制电路五个部分组成。馈电网络在逻辑电路的控制下，按一定的程序分配给每个辐射元既定的幅度和相位。根据阵列天线的原理，这些受激励的天线元便共同形成一定幅相关系的波阵面，从而在空间合成所需的方向。整个圆形阵是分区激励的，每次激励区域可达180°。以1/4 圆周上的单元为例，通过特别设计的可控移相网络，给每个受激励的辐射单元提供必要的相位，使原来为圆弧的波阵面补偿成为平直的波阵面。各辐射单元的幅度也由设计在移相网络中的可控衰减网络按切比雪夫分布的形式加权，因此，受激励的1/4 圆周上的天线单元便能在空间合成出方向性较强、旁瓣电平较低的方向图。

图8.34　圆阵天线组成框图

单个波束在小范围内的微扫描，是通过对移相网络中各路相量的小范围活动的控制实现的，波束在大范围的360°扫描是通过对开关网络的控制实现的，每步进一次，可以移动360°/N。由于开关的速度极快，故可以在微秒量级内扫描360°的整个范围。只要阵列中的各部件是宽带的，即可实现整个天线阵的宽带工作。整个波束扫描阵列若取N=32，则在1/4 的圆周上有8个辐射元。即每次有8个天线阵元受激励，依次轮流可形成32个步进的波束来覆盖360°的方位角，每个波束覆盖360°/32= 11.25°的方位角范围。若第1个波束由1～8 号单元产生，则第2个波束由2～9 号单元产生，第3个波束由3～10 号单元产生，……，第32个波束由32～7 号单元产生。由于圆形共面阵的全对称性，所求的方向图函数只需从1/4 圆周上的N/4个单元的圆弧阵导出。如图8.35 所示，设圆形共面天线阵由N个单元组成，被激励的单元是第0，1，2，…，（N-1）/4 号天线元；来波在θ方向进入；各单元分布在以O1为圆心，R 为半径的圆周上，0，1，2，3，…，i，…，（N-1）/4 为各单元的相位中心，它们分别位于α0，α1，α2，…，αi，…，α（N-1）/4的方向上。当以第0 单元作为相位参考时，则第i 单元在θ 方向的滞后相位为

图8.35　方向图函数的坐标关系

当有N/4个单元被激励时，其方向图函数为

式中　fi（θ）——第i 单元的方向函数。

若采用E 面喇叭天线组阵，则

式中　αi=2πi/N；

　　　a——E 面喇叭的口径尺寸，

　　　k——自由空间的波数，

为使这些被激励的单元在θ=θmax= π/4～π/N 的方向上，天线阵能获得较大的天线方向性增益，需要利用数学延迟型移相器把这些激励元的波阵面校准成平面或近于平面。为此，必须给第i 单元附加一个相应的移相量，即

于是受激天线阵元的方向图函数为

受激天线阵元的方向性增益为

以上的方向图函数是基于理想的情况导出的。在工程上，由于各馈电通道客观上总会受元器件性能、系统或偶然因素的影响和干扰而得不到所需的幅度和相位，这就需要加进人为的干预 （加权）和随机的微扰 （干扰）因素。为此，做如下定义：

AF（i）——对第i 单元的幅度加权因子；

C（i）——对第i 单元的相位加权因子；(www.xing528.com)

NF（i）——对第i 单元的幅度随机微扰因子；

NC（i）——对第i 单元的相位随机微扰因子。

在考虑了这些因子后，受激励单元的合成方向图函数为

式中，fi（θ）由式（8.109）表示；φi由式（8.110）表示。

通常，AF（i）按切比雪夫分布加权，目的在于降低副瓣电平；C（i）按0～1.2 的不同取值进行计算，然后取其最佳值；NF（i）由80%～120% 的不同随机量产生的数值计算；NC（i）由-20°～+20°的不同随机量产生的数值计算。根据所导出的式 （8.111）、式 （8.112）、式 （8.113），分别按不同的情况进行计算：

（1）幅度和相位不做任何加权的校准。

（2）幅度不加权，相位加权校准。

（3）幅度和相位均加权，并计入随机微扰。

（4）不同阵元口径和圆阵半径的上述三种情况的方向图和增益。

从计算结果可以看出，单个波束扫描体制下，N/4个受激励单元所发生的方向图，虽然状态各异，但在阵元口径和阵半径的约束下，仍能获得规则的主波束。方向增益约为10 dBi 以上；副瓣电平均为-13 dB 以下，特别是波前相位得到校准的情况更是如此。以f=2～4 GHz 的情况为例，模拟的条件如下：

（1）工作频率f=2 GHz，3 GHz，4 GHz。

（2）喇叭E 面口径a=20 mm，30 mm，35 mm，40 mm。

（3）校准相位加权C（i）=1.0。

（4）单元幅度加权 AF （ i）= 0.38，0.58，0.84，1.00，0.84，0.58，0.38。

（5）单元总数N=32。

（6）相位微扰均方根值δ=10°。

（7）幅度微扰均方根值df=0.15。

计算结果见表8.7。理论的计算结果表明，圆阵天线用分区激励的办法，对每个受激的单元的幅度和相位做适当的加权和校准之后，即使遇到随机的幅度和相位的微扰，也能保持较为理想的主波束形状、增益和副瓣电平。

表8.7　圆阵天线的计算值

图8.36　宽带圆阵相控阵

根据以上的思路及计算方法和结果，采用工作于S 波段的圆形相控阵，圆周上共用很多单元喇叭天线均布。这种单元天线为后馈式脊喇叭天线，用其E 面组阵方式，形成组阵面水平极化，如图8.36 所示。其解决了单元天线一致性设计，利用多个宽带的SP4T 开关组成开关网络，以控制波束的转接，而移相加权网络采用2 bit 的开关时延线及相应的衰减网络组成，当然，也可以不用幅度加权方式。功分网络是使用5个二路功分器组成的八路功分器来实现的。该天线阵通过分区激励及时延移相段的巧妙组合相位补偿，使得瞬时波阵面在方位面内为直线，保证了阵列的宽带特性。同时，在有源组件的网络排布及调试中，通过工程的方法对各微波通道进行优化，使其多个通道在同样状况下幅相特性一致。在S 波段范围内，在各种扫描下，对功分网络来说状况几乎一样，它们的驻波系数相同。由于波束指向在径向方向，阵元之间的耦合对辐射特性的影响比较小。

图8.37 所示为天线输出端的反射损耗曲线。由驻波换算公式可知，其驻波最大值小于2。图8.38 所示给出了天线的波束宽度和副瓣电平值，扫描波束的宽度为18°～36°，而俯仰面的波束宽度为35°～70°，其副瓣电平大于13 dB。该天线阵由于其本身的特点，全方位角覆盖，工作频率宽开，具有反应速度快、扫描方式多样和波束宽带可控等特点。

图8.37　天线输出端的反射损耗曲线

图8.38　宽带相控阵天线辐射图及副瓣电平

（a）天线波束宽度；（b）天线副瓣电平