采用印刷振子的赋形天线阵

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        1  引言

        在现代战争中，担负着地面警戒任务的雷达系统面临着各种威胁和干扰，为了最大限度地保证武器系统的正常工作，提高其电子战能力和战场生存概率，人们采取了许多行之有效的措施，其中低截获概率和低副瓣天线则是两种行之有效的措施。雷达的窄波束、低副瓣不仅可以集中功率，提高雷达的作用距离，而且还可以增强电子对抗能力，抑制旁瓣干扰，降低被敌方电子侦察设备发现的概率和被反辐射导弹击中的概率。同时，对于搜索雷达来说，为了提高搜索目标的效率，需要展宽俯仰面内的方向图，使之成为具有一定波束宽度的赋形波束，以实现在指定的空域内高效搜索的要求。
         
        此外，对于搜索雷达天线来说，要达到能够覆盖一定空域的要求，使得等高度但距离不同的目标均可以收到同等强度的回波信号，这就必须能够弥补能量与距离平方成反比而造成的能量损失，方向图能够补偿到目标距离的差异，也就是要求方向图具有特定的赋形。要使得天线的波束实现要求的水平面低副瓣、俯仰面特殊赋形的要求，单个天线是无能为力的，所以人们根据电磁波在空间的相干原理，把一些基本天线按照一定的规律排列起来，组成天线阵列，并赋予合理的激励分布来实现设计要求。即赋形波束平面阵列天线的综合设计。
         
        2  单个印刷振子的计算

        2.1  概述

        印刷振子的两臂分别印制在介质基板（选用介电常数较小的）两个面上，其臂长为 ，宽度为 。馈线是特性阻抗为 的微带线，宽度为 。微带线的底板宽度是渐变的，且只有有限宽度，长度为 ，由此便能实现平衡-不平衡变换及阻抗匹配。
         
        2.2  相关技术指标

        天线工作频段为L波段，相对带宽为：23%。波束最大值指向角4~8?之间。0度仰角以下辐射功率应比最大值低2dB，且具有锐截止特性（-6dB/度）。天线增益不小于5dB。E面（垂直面）波束宽度不小于30?。
         
        2.3  尺寸计算

        ：振子臂长 ：馈电微带线宽度 ：振子宽度 ：振子到反射板距离 ：介质基板厚度    ：有限宽微带底板最大宽度 ：反射板长度
        振子臂长： 振子宽度： 振子到反射板距离： 馈电微带线宽度：
        其中： h为介质基板厚度有限宽微带底板长度： 有限宽微带底板最大宽度： 反射板长度：
         
        根据以上计算公式和相应的频率要求，即可得出模型各个参数的具体值。而后通过CST建立仿真模型为：

       

        图1  单个印刷振子仿真模型

         
        其s参数仿真结果为：

       

        图2  单个印刷振子S参数仿真图

        其中频远场仿真方向图为：

       

        图3  单个印刷振子仿真方向图

         
        3  五个印刷振子组阵

        3.1  概述

        如图，印刷振子所组成的阵列，天线辐射单元为5单元，并固定在多层介质板上，在阵列中的适当位置加装了反射板，并使馈电微带线从其中穿过(另一面馈线接地)，且与反射板不接触。

       

        图4  印刷阵列模型

         
        3.2  仿真合成方向图

        由于合成后要求为赋形方向图，赋形宽度60?，如图：

       

        图5  要求的赋形方向图

        因此，对五个天线的输入信号必须进行合理的幅度和相位的匹配，以使合成的方向图能达到要求的效果。
        按照用户图5的方向图要求，5个单元总体的赋形角度为60度，因此每个单元的平均角度为12度，按照图5的要求，从零度开始，每隔12度，对应一个幅度电平值，将其转化为分贝值，则可得出5个天线单元的相对幅度分布值为：0dB、-0.58dB、-1.2dB、-2.04dB、-3dB，这样就要求合成方向图的半功率波束宽度即要达到60?，这对后续馈电、功分网络的设计具有指导意义。
         
        印刷振子的馈电方式对其辐射特性有较大的影响，因为馈电方式直接影响振子的电流分布。当前除了常用的同轴线背馈外，主要有两种馈电方式：一种是馈电微带线直接与印刷振子相连，即：微带馈线直接与振子中间相连，两侧振子电流方向相反，E面z轴方向辐射为零。还有一种是微带共面线分别与振子两臂相连，其与自由空间半波振子线馈电相似，因此最大辐射方向为z轴方向。通过仿真验证，决定选择第一种馈电方式，因此，第一个单元与第五个单元输入信号的初相位相差180?。通过输入相应的幅度和相位值，得到多组合成后的方向图，在此过程中发现合成方向图有如下规律：
        （1）幅度的变化影响较小，幅度按三角形分布。（2）第2和第4单元相位值对方向图整体影响较大。（3）相位减小，可使方向图相应的部位降低。
        由相关理论知：对一个阵列天线，其沿Z轴等距分布（z=0,d1,2d1......(n-1)d1，d1为相邻两个天线单元的间距）即均匀步进相移激励，得其阵主波瓣的指向为： ， 为相邻阵元的相移差，波束最大值指向角在4~8?之间，且5个单元均相同，因此 的范围就在4~8?之间，这样根据上述公式即可得到相应的的值，即相邻两个天线单元之间的相位差值。通过计算，得到相邻振元相移差为3.4?左右。将此相位差输入到CST中，按照相应的计算，得其合成方向图为：
         

       

        图6  印刷阵列仿真方向图

         

        该合成图五个馈电端口的幅度和相位按照前文所述的幅度和相位的差值，并分别给其赋予一定的初始值，从而得出一系列合成方向图，在这一系列图中，通过比较筛选，选择了如上图所示的合成方向图。
         
        此图中3dB波束宽度能够满足60?的要求，主波束的偏向角也基本符合4~8?之间的要求。在图5和图6中均匀地取几个点，分别看其对应的角度和电平值（dB值），通过对比这两幅图中的这些取点的角度和幅度值可以发现，两图相同角度对应的电平值非常相似，有些点甚至相同，从而说明图6的仿真结果基本上达到了赋形的目的和要求。对后续馈电网络的设计，可由相应的幅度和相位的要求及仿真的结果，提供参考设计依据。
         
        4  馈电网络

        在已知天线单元设计无误的情况下，即要对馈电网络进行计算设计，由于五个天线单元的功率分配差值为：0dB、-0.58dB、-1.2dB、-2.04dB、-3dB，因此需对第一个天线单元的功率量进行赋值，即：对第一个单元赋值-5.6 dB，则其相应后续的单元的功率值为：-6.18dB、-6.8dB、-7.64dB、-8.6dB，因此按照dB的定义有： 10lgx1=-5.6，所以 即功分量，后续的功分量分别为：x2=0.241、x3=0.21、x4=0.172、x5=0.138。
        这样 ，故初始值取5.6是合适的。

       

        图7  功分器示意图

         
        先按1分2不等分，分出5.6dB这组值，即上半部分分出5.6dB，下半部分分出剩下的四个量之和，也就是： 即： ，将该比例系数k代入混合线功率分配器方程得：
           
        即为功分器变换段微带线的阻抗值，将该值代入CST软件中，并按以下步骤进行：
       
        即可计算出适合的微带线宽度，微带线长度为 。对于微带线的拐角切入深度， 可按下式进行计算：
           则切入深度：
       
        各系数关系，如图所示：

       

        图8  功分器拐角切入深度

         
        通过以上计算，可确定微带线的尺寸。
        此外，由功分器的相关资料可知：微带功分器的导线宽度影响功分量的大小，而导线长度则影响各功分量相位的大小，因此，可按照该原理相应调节导线长度和宽度，以使其达到要求的功分量与相位值。后续过程仍按照此思路向下进行，即可把整个功分器的各微带线长度、宽度算出，从而完成整个功分器的计算。按照本文中印刷阵列各个端口馈电幅度和相位的需要，将计算出的尺寸代入CST中，建立的功分器模型为：

       

        图9  微带功分器模型

        其s参数为：

       

        图10  功分器幅度仿真结果

       

        图11  功分器相位仿真结果

         

        将计算的结果与仿真结果相互对比可见，该功分器理论值与实际仿真值具有非常好的一致性，能达到要求的性能指标。将其与前面的五个单元阵列天线相连，并使其很好地匹配，从而完成整个阵列天线的计算仿真过程。
         
        5  总结

        印刷振子天线由于其独特的结构而具有许多优点：剖面薄、体积小、重量轻，具有平面结构，易于与载体共形，馈电网络可与天线集成，适用于印刷电路批量生产等，已经成为集成化天线的主角。在现代雷达及通信系统的应用中，由印刷阵列天线来实现所要求的波束形状已成为主流方向之一，因此对它的研究具有重要的意义。但需要指出的是：当阵列单元数目较多时，由于足够的综合的自由度，上述方法通常效果较好。然而当单元数目较少时，其有限的自由度使综合中会出现较大的结果。在这种情况下，通常需要用到优化方法，关于这方面的内容，还正在研究之中。