目前，相控陣技術(shù)的應(yīng)用在民用雷達(dá),、衛(wèi)星通訊,、環(huán)境與資源技術(shù)、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)以及軍事等領(lǐng)域到了廣泛的使用,。隨著雷達(dá)觀(guān)測(cè)目標(biāo)種類(lèi)的增多,，要求雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)參數(shù)不斷增加，并提高雷達(dá)電子對(duì)抗能力及目標(biāo)識(shí)別能力,，寬帶相控陣?yán)走_(dá),、有源相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字相控陣?yán)走_(dá),、多波段綜合一體化相控陣?yán)走_(dá),，成為當(dāng)今相控陣技術(shù)發(fā)展的重要方向。大多數(shù)相控陣天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都是體積小,、重量輕,、共形等問(wèn)題。較少針對(duì)高頻,、大功率,，尤其是多波束、多狀態(tài)掃描進(jìn)行討論,。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀提出一種相控陣天線(xiàn)模型,，該模型利用圓極化微帶天線(xiàn)排列成16×16的方形平面陣列，此陣列具有工作頻率高,，實(shí)現(xiàn)增益大,，掃描范圍廣的特點(diǎn)。
1 加權(quán)方式和相位掃描
1.1 道爾夫-切比雪夫加權(quán)
在相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中,，能降低副瓣電平的遞減分布具有實(shí)際意義,。然而副瓣電平和主瓣寬度是矛盾的，能在副瓣電平和主瓣寬度間進(jìn)行最優(yōu)折中的是道爾夫一切比雪夫分布陣,。為此,，充分利用切比雪夫多項(xiàng)式的有用特性。切比雪夫多項(xiàng)式是如下的二階微分方程的解
則此式的解可寫(xiě)成
其特性表明當(dāng)m是整數(shù)時(shí),，Tm(x)在|x|<1的范圍內(nèi)是正弦振蕩函數(shù),，然后在|x|>1范圍內(nèi)以雙曲線(xiàn)型上升。如果能使Tm(x)的一段和陣因子相對(duì)應(yīng),，就能得到一個(gè)等副瓣的方向圖,。于是利用C語(yǔ)言編程，利用切比雪夫加權(quán)方式計(jì)算出各陣因子的電流幅度,，直接加權(quán),。
1.2 相位分布和波束掃描
如果電流分布是可分離的，此時(shí)陣因子可表示為
其中
這就是說(shuō)αx和αy分別為口徑分布在x方向和y方向的均勻底邊相位,。當(dāng)波束掃描進(jìn)行時(shí),，方向和方向的相位差都不為零，此時(shí)在陣列法線(xiàn)方向各單元輻射場(chǎng)不再是同相疊加,，而是在偏離法線(xiàn)某一方向θ上由于各單元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移,，各單元的輻射場(chǎng)變?yōu)橥喁B加，因而使θ成為最大輻射方向,。
在編程時(shí)考慮了相位分布,，使最后的參數(shù)矩陣包含相位因子，直接施之于陣列之上,，完成相位的分布和波束的掃描,。
2 天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)
該陣列的天線(xiàn)單元采用微帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)在貼片對(duì)角線(xiàn)E進(jìn)行切角實(shí)現(xiàn)圓極化,。采用50Ω同軸探針進(jìn)行饋電,，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.1。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,，貼片尺寸3.1mm×3.1mm,，對(duì)角切角為腰長(zhǎng)0.44mm的等腰三角形，饋電點(diǎn)距圓心0.69mm,。如圖2所示,，該單元工作頻率31GHz，工作帶寬達(dá)到6.4%,。
圖3是31GHz處天線(xiàn)單元的二維增益方向圖,，由仿真計(jì)算結(jié)果可知，31GHz處天線(xiàn)單元的增益約為7dB,，3dB波束寬度為88°,。31GHz處天線(xiàn)單元的軸比曲線(xiàn)如圖4所示。在(-60°,，60°)范圍內(nèi)<3 dB,。
3 相控陣陣列的設(shè)計(jì)
采用16×16的方形平面組陣方式，陣元間距為5.28mm,，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)最窄波束情況下,，通過(guò)控制輻射單元的饋電實(shí)現(xiàn)可控多種波束多狀態(tài)掃描,。本文利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線(xiàn)陣進(jìn)行仿真，采用自定義陣列模式,，陣列的相位權(quán)值在幾何文件中一一定義,。
4 仿真結(jié)果
4.1 切比雪夫加權(quán)方式加權(quán)
圖5為陣元達(dá)到256個(gè)的時(shí)候，陣列的單相掃描方向圖,。如圖所示,，單相掃描角可以達(dá)到40°，此時(shí)增益達(dá)到22dB,，波束寬度為9.36°,，副瓣28.6dB。
圖6為雙相掃描進(jìn)行時(shí)的方向圖,。此時(shí)掃描角為36°×51°,，增益基本不變，副瓣降低至40dB以下,，波束寬度達(dá)到8.5°×12.5°,。
為了達(dá)到多波束掃描，得到更寬的波束,，在原陣基礎(chǔ)上,，利用發(fā)射/接收組件控制陣元饋電，減少陣元,，只取8×8的陣列進(jìn)行饋電,，間距不變，掃描結(jié)果如圖7所示,，掃描角基本不變36°×48°,，增益降低，波束寬度展寬至18.7°×26.8°,，副瓣升高,。
為了降低副瓣，對(duì)12×12的單元進(jìn)行饋電,，間距仍然不變,，如圖8所示，此時(shí)的掃描角為36°×51°,，增益升高同時(shí)波束寬度達(dá)到12°× 17°,，但副瓣可降至40dB以下。
4.2 與泰勒加權(quán)比較
等副瓣切比雪夫陣列的輻射特性很好,，但其兩端單元的激勵(lì)電流幅度往往比其鄰單元的電流幅度大很多,，這就對(duì)陣列的饋電造成困難。本文利用泰勒加權(quán),，得到方向圖只有靠近主瓣的前幾個(gè)副瓣的電平接近相等,，隨后的各副瓣電平單調(diào)遞減,。這里只對(duì)16×16的陣列進(jìn)行加權(quán)得到掃描角39°，增益達(dá)到23.3dB,，波束寬度8.7°,，副瓣20dB，并沒(méi)有降低副瓣,，但是副瓣確實(shí)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著相控陣天線(xiàn)在工程上的應(yīng)用,，相控陣技術(shù)成為未來(lái)電子對(duì)抗領(lǐng)域中主要技術(shù)發(fā)展方向,，應(yīng)用前景十分廣闊。文中所介紹的設(shè)計(jì)思路,，天線(xiàn)陣元結(jié)構(gòu),、天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)、掃描范圍波束寬度改變等技術(shù),，將會(huì)為以后的設(shè)計(jì)工作提供借鑒,。