相控阵天线地基础理论Word格式文档下载.docx
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图2.1N单元线性相控天线阵原理图
阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为：
e丸
巳二Kiiife「）-
ri
（2.1）
为第i个天线单元至观察点
Ii为第i个天线单元的激励电
式中，叫为第i个天线单元辐射场强的比例常数，
的距离，fiG,）为第i个天线单元的方向图函数,
流，可以表示成为：
（2.2）
式中，ai为幅度加权系数，丄b为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差,亦称阵内相移值。
在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。
因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：
N」N」i
E八巳「KjlifiC,）
i=0i=0ri
（2.3）
若各单元比例常数Ki=1，各天线单元方向图fi（\「）相同，则总场强表示为:
NJ-j—ri
E=fU,）'
qe」Be—
i=sn
（2.4）
假设观察点P距离天线阵足够远，则可认为各天线单元到该点的射线互相平行。
根据远场近似：
对幅度：
ri=r°
对相位：
斤=r0-idcosy
（2.5）
cosy=costsin
（2.6）
将（2.5）、（2.6）式带入（2.4）式，总场强可进一步简化为:
N'
ji（^^dcos6Sin申-
E=f（6：
）'
aie'
i=0
（（2.7）
N—ji（^!
dcos涉in^_^B）
定义式（2.7）中F^,^=-aie'
-为阵列因子，则该式说明了天线
方向图的一个重要定理一一乘法定理。
即阵列天线方向图函数E（r」）等于天线
Ndji（型dcosQsin^_^B）
单元方向图函数f^/P）与阵列因子Fp&
）=：
Zaie&
的乘积。
为了便于讨论和易于理解线性相控阵天线扫描原理，通常将图2.1简化为图
2.2所示情况。
假定天线单元方向图f（’J足够宽，满足全向性，在线阵天线波
束扫描范围内，可忽略其影响时，线阵天线方向图函数可表示为:
iz0
8）
式中，ai为幅度加权系数，「b为相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值,
且丄b=dsin%，二b为天线波束最大指向
图2.2N单元线性相控天线阵简化图
令:
dsin^,它表示相邻单元接收到来自二方向信号的相位差，可称
为相邻单元之间的空间相位差。
若令-^X，对均匀分布照射函数，a^1，
_jNX
可得：
F（"
厂話，由欧拉公式化简得到:
.N乂
sinXjn_iYj入
F（R=—e2
sin-X
2
（2.9）
对式（2.9）取绝对值，考虑到实际线阵中单元数目N较大，在天线波束指向
最大值附近X较小。
根据等价无穷小替换，sinXX，故得到线阵的幅度方向
22
图函数为：
NN-
sin—Xsind（sin日一sin^B）
|F（R|=N下J二N
—X
（2.10）
得到线阵天线的基本性能。
当NX=0时，|F（r）|有最大值，|F（r）|=1。
此时波2
束指向厲的表达式为：
扎
%=arcsin（B）
2兀d
（2.11）
由式（2.11）可知，通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值■■■='
B，即可改变
天线波束最大值指向。
而-B是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的
2.1.2平面相控阵天线扫描的基本原理
平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上，天线波束在方位与仰角两个方向上均可以进行相控扫描的阵列天线。
目前，大多数远程、超远程相控阵雷达以
及新的三坐标相控阵雷达均采用平面相控阵天线。
一个平面相控阵天线可以分解为多个子平面相控阵天线或者分解成多个线阵。
相应的，由发射机至各天线单元的信号功率分配网络与由天线单元到接收机之间的功率相加网络也会随之变化。
平面相控阵天线单元的排列方式主要有两种：
矩形格阵排列和三角形格阵排列，后者可以看成是由两个单元间距较大的按照矩形格阵排列的平面相控阵天线所构成。
图2.3所示为平面相控阵天线示意图，天线阵列位于yoz平面上，共有MN个天线单元，沿y方向的N个阵元以间距dy均匀排列，沿z方向的M个阵元以间距dz均匀排列，从而形成矩形栅格阵的平面阵。
图2.3等间距排列的平面相控阵天线示意图
设目标所在方向以方向余弦表示为（cos「x，cos「y,cos「z），则由各天线单元
到目标方向之间存在的路程差决定了信号传输过程中的相位差。
因此，沿y轴和
z轴相邻天线单元之间的空间相位差可分别表示为：
（2.12）
第（i,k）个单元与第（0,0）个参考单元之间的空间相位差为.-■：
'
ik=n'
ykJ*。
若天线阵内由移相器提供的相邻天线单元之间的阵内相位差，沿y轴与z轴刻分
别表示为：
2■:
卩%=dyCOSOy°
'
2：
：
Bz二dzCOS：
z0
（（2.13）
式中，COSGy.0与COSOz。
分别表示波束最大值指向的方向余弦。
当以球坐标（日严）表示时，根据图2.3可知：
cos：
%二cos^sin;
:
z=sin®
（2.14）
第（i,k）个单元与第（0,0个参考单元之间的阵内相位差为
Bik'
By'
kA'
Bz。
记〉二「旳，一'
Bz，贝心'
B^=P：
在此处
（2.15）
考虑到
cosotv=cosTsin®
yi'
cosz二sin二
（2.16）
将（2.16）带入（2.15）中，得到:
F（刑）上W盼咗ES知心］i±
kz0
（2.17）
通常情况下，天线照射口径函数为等幅分布，即不进行幅度加权，幅度加权
系数aik=1,满足均匀分布。
此时平面相控阵天线的方向图函数可表示为：
厅2（"
|是垂直方向线阵的天线方向图。
与线阵方向图的推导类似，这里有:
9）
［值，即可实
由（2.19）可以看出，分别改变相邻天线单元之间的相位差现平面相控阵天线波束的扫描，而:
•、1值的改变仍然是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的。
2.2相控阵天线的基本构成
相控阵天线理论和技术的蓬勃发展，使得相控阵天线在电路设计、结构形式和微波元件及控制方法等方面千差万别［29］。
通常情况下，相控阵天线是由天线阵面、移相器、馈线网络以及相应的控制电路等几部分组成。
如果相控阵天线的馈电网络中不含有源电路，则称此天线为无源相控阵天线。
如果天线的各个单元通道中含有有源器件，例如信号功率放大器、低噪声放大器、混频器等，则称此天线为有源相控阵天线。
2.2.1天线阵面
相控阵天线阵面通常是由几百个到几万个不等的通过相位进行控制的通道激励辐射单元构成。
这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。
当这些辐射单元分布于平面上，称为平面相控阵天线；
分布于曲面上，称为曲面相控阵天线；
如果该曲面与雷达安装平台外形相一致，则成为共形相控阵天线（conformalphasedarrayantenna）。
相控阵天线单元的排列方式主要有矩形格阵排列、三角形格阵排列以及六角形格阵排列等。
2.2.2馈线网络
相控阵天线是一个多通道系统，一般均包含大量天线单元，在发射机、接收机与天线阵各单元之间必须有一个多路馈线网络。
通过发射机输出端将信号送至天线阵面中各个辐射单元或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收机输入端的过程，称为馈电，而将为阵列中各个天线单元通道提供实现波束扫描或改变波束形状所要求的相位分布称为馈相。
其中的馈电方式主要包括强制馈电与空间馈电两种，改变波束形状所要求的各通道激励相位是通过微波器件一移相器实现的。
强制馈电（constrainedfeeding）亦成为约束馈电。
该系统采用波导、同轴
线、板线、微带线等微波传输线实现功率分配与相加网络。
由于发射激励信号发射机输出信号以及接收机输入信号均只在传输线中传播，辐射泄漏很小，馈电网
络的电磁兼容性容易得到保证。
空间馈电亦称光学馈电，主要分为透镜式与反射式两种。
与强制馈电相比较，信号场强在传输过程中不是约束在波导、同轴线或者微带传输线中，而是在自由空间传播，因此空间馈电网络实际上是采用空馈的功率分配/相加网络。
采用空
间馈电具有许多优点。
例如，可以省掉许多加工要求严格的咼频微波器件，在雷
达信号波长较短时，可利用空间馈电形成单脉冲测角所需的和、差多波束，与强
制馈电相比具有更为明显的优点。
2.2.3移相器
各种不同类型的移相器是相控阵天线馈线网络实现馈相的关键器件，对它的
要求是：
移相的数值精确、性能稳定；
宽频带、大功率容量；
便于快速控制等［30］。
移相器主要分为以采用压控变容二极管的场效应晶体管（FET）模拟型移相器
和以采用PIN二极管作开关器件的通过式数字型移相器两大类。
但是，为了便于
计算机对天线波束扫描进行可编程控制，控制电压或者电流信号均是按照二进制方式产生的，移相器的每一位受二进制数字信号中的一位控制。
因此，无论模拟
型移相器还是数字型移相器，它们提供的相移量均是按照二进制方式变化的，即
仍然是离散的，因而在实际使用中，多采用数字式移相器。
设数字式移相器位数为k，k为正整数，则移相器的最小相移值.-■：
Bmin为：
—Bmin-
（2.20）
故k位数字移相器共有2k种不同移相值，以四位数字移相器为例，如图2.4所示最小相移值为「Bmin=牛=22目，且高一位移相器的相移量是低一位移相器相
移量的2倍。
因此，四位数字移相器可以看成是四个相移数值分别为
22.5〔45、01180^的子移相器串联而成。
每一位子移相器均受到一位二进制数字
信号的控制。
其中0对应不移相，1对应移相
图2.4四位数字式移相器示意图
例如，当控制信号编码为0101时，四位数字式移相器产生的相移量为：
=0180；
+
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