共形阵列天线及特定波束阵列天线的分析

陈超 喻肇川

摘 要：作为重要的天线技术，共形阵列天线取得了快速发展。基于这种认识，本文在分析共形阵列天线基础概念和布阵结构特点的基础上，本文对特定波束阵列天线设计和实现问题展开了分析，从而为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：共形阵列天线;特定波束阵列天线;微带天线

引言：

共形阵列天线为天线表面与平台外形吻合的天线，具有较强的波束指向性，同时波束形状能够快速变化，可以轻松形成多个波束，在空间上实现信号功率合成。所以在雷达、导航、电子战和通信等领域，共形阵列天线得到了广泛使用。而在特殊工程领域，还要采用特定波束阵列天线。因此，还要加强对共形阵列天线及特定波束阵列天线的研究。

1共形阵列天线分析

1.1基础概念

在无线通信系统中，天线为重要的部件，性能好坏将给整个通信系统性能带来影响。在工程应用中，一般天性需要由较高的增益，同时具有波束控制或扫描特性。阵列天线为采用天线阵元进行布局的天线系统，可以划分为平面阵、直线阵和共形阵。相较于平面阵，共形阵的单元天线紧贴非平面结构，能够满足工程设计节省空间、隐身等需求[1]。在宽角度扫描和方位面全向覆盖方面，共形阵优势显著。在现代通信工程建设中，需要利用不同形式波束进行不同通讯需求的覆盖。比如在基站建设方面，就需要采用圆柱共形阵或圆环共形阵，以便利用全向覆盖的波束和多个波束实现方位面全方位覆盖。

1.2布阵结构

相较于平面阵列，共形阵的结构比较复杂。通常的情况下，平面阵列天线波束扫描角度在60°到70°之间，将受到波束展宽的限制，造成天线增益下降。而在宽角扫描的过程中，受互耦影响，阵列单元阻抗将发生变化，造成大扫描失配严重，继而导致天线增益下降。在平面阵扫描角达到75°时，损失的增益将达到5.9dB。而在共形阵中，波束扫描和互耦引起的增益损失较低。在进行全空域波束覆盖时，需要利用半球形曲面共形阵。该种线阵辐射单元在平滑半球面上，理想情况下可以与球面弯曲度吻合。如果扫描区内的波束变化连续，可以适当增大单元间距，但要求阵元拥有曲面共形结构，确保在口面积相同条件下设置更多的单元。从结构上来看，共形阵可以由多个小平面构成，各平面包含一个或几个辐射单元，形状与小平面吻合，以得到近似曲面的阵面。现阶段，在共形阵列天线研制方面，开始使用毫米波的微带天线。该种天线使用的介质采用具有体积小、重量轻和易共形的特点，能够使阵列结构设计问题得到解决[2]。但就目前来看，采用该种微带天线，将遭遇表面波损耗严重的问题，同时也存在馈线损耗和互耦损耗。因此想要完成特定波束阵列天线的设计，还要加强对各种损耗的控制。

2特定波束阵列天线分析

2.1天线设计

通过上述分析可以发现，阵列天线辐射特性取决阵元结构、排列、数目、电流相位分布等各种因素，想要得到特定波束的阵列天线，还要使几个单元以等幅同相方式进行组阵，此时最大辐射往往在微带基板正上方。结合这一思路，可以选择2.25GHz±5MHz的工作频率，天线增益≥10dB，输入阻抗50Ω，长×宽为340mm×80mm，电压驻波比≤2，采取线极化方式，最大辐射方向偏离阵列平面法线10°。在此基础上，需要对天线的各种损耗进行确认。针对并馈系统，馈线损耗取决介质厚度和工作频率，30-300GHz频段范围内，每个波长内的微带线损耗在0.1-0.2dB范围内。此外，在天线间互耦损耗超出20dB时，天线性能将受到较大影响，甚至出现覆盖盲区，导致共形天线形状岁母体变化。因此在天线研制时，还要对这些问题进行考虑。

2.2天线实现

在具体实现天线时，可以利用一维直线阵为基础框架，将“E”型贴片作为阵列单元，采用贴片边缘开槽方式减小单元尺寸，使单元天线与馈线相互匹配。“E”型贴片为利用微带天线理论制作的贴片，在介质基板上添加则能构成天线。在微带线等馈电的作用下，贴片与接地板间可以产生磁场，并通过二者的缝隙向外辐射。采用的介质基板为聚四氟乙烯板子，厚度为1mm，介电常数为2.65。而一个微带单元增益约6dB，构成的四元阵增益约12dB，去除损耗可以达到11dB，满足指标要求。考虑到最大辐射方向与面法线成10°，还要采用两级一分二T型功分器给予各单元适合幅度比和相位差，以实现方向图偏转。采用Ansoft HFSS软件进行仿真分析，确定天线单元电性能可以发现，在2.24-2.26GHz频段内，单元天线驻波比≤1.5，增益达到10.6dB，可以满足设计要求，如图1所示。由此可见，在设计特定波束阵列天线时，利用“E”型微带贴片为阵列单元，通过合理选择单元数目和给予适合相位、幅度，能够使天线增益和方向图形式满足要求。

结论：

通过研究可以发现，相较于平面阵，共形陣在天线口径、宽角扫描和波束覆盖方面都具有较大优势，所以能够在军事和工程领域得到广泛应用。而加强对共形阵列天线的研究，结合天线布阵结构特点进行特定波束阵列天线的设计，则能获得增益和方向图形式都能满足要求的天线，继而更好的进行共形阵列天线的推广应用。

参考文献：

[1]伏浩，李小浩，李会莲.共形相控阵天线的技术研究[J].大众科技，2014，16（08）：23-26.

[2]李海林，周建江，谭静等.基于MOPSO算法的卫星共形阵列天线多波束形成[J].数据采集与处理，2014，29（03）：415-420.