二维宽带宽角扫描相控阵天线分析

葛朝锋

（桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林 541001）

二维相控阵雷达被人们广泛的应用在民用和军事设备中，二维有源相控阵雷达是一个十分重要的发展方向，伴随现代科学技术对雷达新的需求以及数字集成电路、微波技术、信号技术的发展，二维有源相控阵雷达成为先进三坐标雷达的重要发展方向。宽带宽扫描角在扫描的时候对阵列天线的设置有着较高的要求。在具体研究设定时候要充分研究天线单元、单元耦合和宽度角匹配问题。在具体分析的过程中要注重展现天线单元的有源方向图。为此，文章在阐述相控阵天线原理的基础上就二维宽带宽角扫描相控阵天线网络技术的应用要求和应用仿真设计问题进行探究。

1 相控阵天线的原理分析

相控阵天线由天线阵列、相位和幅度调制器共同组成，在具体实施操作的时候能够借助波束系统来控制天线操作单元和信号设定情况，并在设置的过程中改变阵列口径的照射函数，根据整个系统的运作需要来整合资源力量形成波束扫描阵列系统。

相控阵列天线由天线阵列、相位、幅度控制器、计算机系统、波束控制系统组成。天线作为系统空间电磁波和系统信号转换器，在使用的时候描述了天线辐射空间的主要控制电磁波，在特定的空间范围内会形成波束快速扫描能力。

2 宽带宽角扫描相控阵天线的网络技术要求

针对研究制作的二维宽带扫描相控阵天线阵列模式，馈电网络系统中的功分网络在设计的时候要着重做好以下几个方面的工作：第一，提升网络信息的传输效率。在宽带宽角扫描相控阵天线布置的过程中，系统中的线路使用损耗直接影响宽带宽角扫描相控阵天线的传输速率，这种损耗具体体现在能耗的吸收和能耗的重新分配处理。损耗的吸收一般是指在周围导体电阻作用下，欧姆传输线使用所引起的介质损耗。第二，较宽的频带设置。在宽带宽角扫描相控阵天线安排布置的时候为了能够增强各个天线系统使用的抗干扰性，需要将宽带宽角扫描相控阵天线设置的宽敞一些，并为宽带宽角扫描相控阵天线的设计提供足够的宽带支持。第三，幅相一致性良好。宽带宽角扫描相控阵天线网络系统中的移相器会具备相同的相移量，衰减器在保证同等衰减量的情况下能够为各个支路的运作提供重要的支持，从而能够有效规避因为各个支路幅相不一致所引起的天线波束位移问题。

3 宽带宽角扫描相控阵天线阵列的分析和设计

3.1 天线阵列的结构形式和尺寸大小

在宽带宽角扫描相控阵天线安排布置的时候需要严格遵循天线阵元布置标准，按照整个项目规定的指标来设定平台的尺寸大小。在具体实施操作的时候为了能够保证平台的设计满足规范的标准，需要结合实际来制定出规范的标准，在标准的约束和规范下对宽带宽角扫描相控阵天线进行布局设计。按照整个项目指标的设定要求进行平台的设计。为了能够统一天线高增益波束和波束二维宽角扫描指标的科学，宽带宽角扫描相控阵天线在排列的时候需要设计成6x6的矩阵栅格侦查，为每个天线阵元的设计提供足够的电力支持。

3.2 相控阵天线的波位配置

所设计的相控阵天线采用数字移相器来进行移位控制，数字移相器的相位会按照一定的步进量发生跃变，所以阵列天线馈电的相位分布是离散的。这样阵列的天线波束扫描具备离散性的属性。

相控阵天线扫描波位在扫描范围内的分布情况直接影响相控阵系统信号处理性能和能量资源优化。波束跃度比较小，在使用的时候能够减少小天线波束形状造成的调制损失。对相控阵天线波位配置的目的是在相控阵天线性能损失和数据处理能力之间选择一种最优解。

4 二维宽带宽角扫描天线阵面设计

4.1 宽带宽角扫描天线阵面单元天线

对宽带宽角扫描阵列天线的研究是一个热门问题，宽带宽角扫描阵列天线研究的关键是阵列单元的选取。按照宽带宽角扫描阵列天线技术要求，天线阵元需要选择阻抗频带宽，方向图波瓣的宽度较大的天线单元。

VivaLdi天线是一种按照曲线渐变的开槽天线，整个天线在设计的时候拥有极大的阻抗频带，十分适合用作相控阵天线辐射单元。文章采用带状线-槽线的馈电结构来设计VivaIdi单元天线，天线结构由两层介质构成，馈电线位于两个介质层之间，介质层的两边为指数渐变的辐射槽缝。介质板的介电常数为2.55，厚度为0.5mm。

宽带宽角扫描相控阵天线的最上部分介质基板会牵扯到各个支路端口，具体涉及到的内容有阶梯状的金属圆柱探针、中心馈线端口、中心馈线支持下的馈电端口加载容性圆盘、波导同轴上部分腔体的金属壁、下介质基础板、各个支路端口。在具体设计的时候，宽带宽角扫描相控阵天线上下介质基础板之间的电力介质常数在2.65左右。

4.2 宽带宽角扫描天线阵面的陈列设计

小型陈列天线的设计对雷达天线的控制和大型阵列布置发挥出了十分重要的作用，小型阵列分析主要会涉及到阵列单元间互耦影响下中心单元的辐射特性和有源反射系数特性。考虑到单元之间距离越远，互耦效应越小，阵列边缘单元天线对中心单元的影响比较小。一般情况下，设计中心单元距离阵列边缘两个到三个波长的小型阵列能够获得模拟大型阵列天线的性能特性。利用AnsoftHFSS软件仿真优化计算得出的基本参数，其中通过改变振子的长度和宽度来调节VivaLdi天线阵的频率变化，通过改变馈电点的位置可以调节VivaLdi天线的阻抗匹配。最后确定优化后的天线单元体积小、结构简单，其宽度为21mm，高度为22mm。

4.3 互耦及阵列扫描特征分析

为了保证小阵能模拟陈列环境，选取11x11的小阵来模拟，从整个工程建设角度来看，在宽带宽角扫描相控阵天线布置的过程中通过使用小阵试验能够直接测量出各个单元的耦合系数，从而更为全面的了解整个系统运作的增益变化，了解VivaLdi天线的扫描特性。在计算分析的时候通过CST仿真软件进行计算分析，在cst中对61号单元馈电提取出适合的耦合系数，进而编程计算出阵列中心单元的扫描特性。经过仿真计算当有源驻波≤3的时候，即有源反射系数为0.5的时候能够获得阵列在H面可以扫描到±85度，存E面可以扫描到±80度，满足指标要求，且在频带内中心单元无源驻波在1.2以下，可以添加寄生柱后不仅拓展了E面波瓣宽度，而且也会由此减少了单元间的耦合影响。

4.4 小阵试验

大型阵列中，绝大部分单元特征表现为阵列中心单元特性，整个中心单元的扫描特性能够代表天线阵列扫描特性，使用小阵试验的方式能够预计阵列天线的扫描特性，避免了计算单元之间互耦所需的复杂编程。工程上会采用这种方式来开展阵列天线的设计，在设计的时候需要保证阵列天线的尺寸在5波长到6波长之间。在增益下降不超过3db基础上，整个阵列H免灾6GHz最大能够扫描47度，H面在8GHz最大能够扫描80.4度，H面在10GHz最大能够扫描78度，H面在12GHz最大能够扫描83.4度。由此也充分证明，宽带宽角扫描相控阵天线的运作频率越高，在阵列增益下降到一定比值的时候，最大扫描角度也不一定会变小。

5 结束语

综上所述，对每个单元的耦合系数进行综合测试，在测试完成之后进行编程计算，经过一系列地基计算获得阵列扫描特性曲线，从中可以发现在有源驻波≤3的时候，即有源反射系数为0.5的时候，阵列在H面就能够扫描到±75度，在E面能够扫描到±70度，由此满足了方案指标要求，增大了扫描范围。经过一系列的分析设计出了宽带宽角二维天线单元，整个测试理论和实践测量结果比较精准，从而验证了设计的精准性。