两级衰减对相控阵天线副瓣影响研究

王建 钟春斌 林志成

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051 2.西安电子科技大学 陕西省西安市 710071）

有源相控阵天线是通过控制各天线单元通道中的衰减器和移相器来改变天线馈电电流的幅度和相位，达到波束扫描的目的，广泛应用于雷达、通信等军事和民用产品中。随着科技的发展，有源相控阵天线开始往高频发展，这要求天线TR 的集成度越来越高，许多科研团队开始了对瓦式相控阵天线的关注和研究。

AIP 天线是实现瓦式相控阵的天线形式之一，把TR做成芯片封装在管壳内，天线印刷在管壳表面。但是这种形式的天线对TR 集成要求很高，尤其是对于砷化镓芯片来说，本文设计的相控阵天线每个天线下面有四个通道，如果幅相芯片的高位衰减器和低位衰减器封装在每个TR 通道内（即实现所有单元的任意幅度可调），芯片的尺寸将会大于天线的尺寸，这种TR 将不能用于组阵。为了优化TR 芯片尺寸，将各个通道内的高位衰减器剔除，并在波束合成口处添加高位衰减器，达到共用高位衰减器的目的，这种方法能使幅相芯片内的衰减器减少12 个，大大优化了TR 芯片的尺寸。

优化后的TR 芯片可以用于有源相控阵天线组阵，共用高位衰减器会使通道内各个天线的衰减可调范围受到影响，通过仿真发现这种影响对天线波束赋形几乎没有影响，变化前后的副瓣电平几乎是相等的，变化范围小于1dB。为了提升通道衰减范围的调整能力，将原芯片低位衰减器的权值从0.5、1、2 调整为1、2 和4，单位是dB，仿真结果显示此改变对波束性能影响很小。考虑到通道增益的不稳定性，仿真显示幅度误差使副瓣恶化小于0.5dB，在工程可接受范围内。

1 24×24相控阵赋形

4 阵元4 波束接收幅相多功能芯片把高位和低位数字衰减器都安装到每一个TR 通道内，其中高位衰减器的衰减位分别是4dB、8dB、8dB，低位衰减器的衰减位分别是0.5dB、1dB、2dB，则衰减器组合的可调范围是0dB～23.5dB，可调步进为0.5dB，每个通道的衰减都是任意可调的，对24*24阵元（576）矩形规则密阵排布方案进行副瓣抑制度分析，天线阵列的方向图函数为：

其中：f(θ,φ)表示单元场；(θ,φ)表示波束指向角。副瓣按-30dB 进行加权，其加权（切比雪夫or 泰勒）分布如图1 所示，阵列中间馈电幅度大，外围馈电幅度小，即中间衰减小，外围单元衰减大。法向扫描增益结果如图2 所示，其副瓣电平是-30.47dB，和设计的副瓣基本一致。

图1： 加权分布

图2： 扫描增益方向图

2 共用高位衰减器赋形

4 阵元4 波束接收幅相多功能芯片（共用高位衰减器）的原理图如图3 所示，共用高位衰减器位于波束合成口处，其衰减位分别是4dB、8dB、8dB，低位衰减器的衰减位分别是0.5dB、1dB、2dB，把这种改变定义为第二种情况，而上一小节介绍的全范围衰减可调记为第一种情况。

图3： 4 元4 波束接收幅相多功能芯片原理图

第二种情况阵列单元的加权分布如图4 所示，法向扫描增益结果如图5 所示，其副瓣分别是-30.71dB，结果和第一种情况基本一致。

图4： 加权分布

图5： 扫描增益方向图

3 衰减位调整共用高位衰减器赋形

若进一步优化芯片衰减位，提升通道衰减范围的调整能力，防止通道间出现大于1dB 波动的情况，且不想改变通道内3bit 架构，芯片可将通道内衰减位（低位衰减器）调整为1+2+4 的组合，即可以实现1～27dB 的衰减范围，衰减步进为1dB，将这种情况记为第三种情况。

第三种情况阵列的加权分布如图6 所示，法向扫描增益结果如图7 所示，其副瓣是-29.76dB，结果和第一种情况变化不是很大，副瓣略有提高。情况三相比情况一，法向旁瓣抬升0.7dB，较第二种情况副瓣抬升0.95dB，可认为是工程上可接受的水平。

图6： 加权分布

图7： 扫描增益方向图

4 幅度误差对波束性能的影响

实际上每个通道的增益是有波动的，不是一个定值，考虑增益波动对波束性能的影响，前面第一和第二种情况的衰减最小位是0.5dB，即其误差可认为是±0.25dB，第三种情况衰减最小位是1dB，则其误差为±0.5dB。

第一种情况下增益误差为±0.25dB，其对波束扫描的影响如图8，结果显示此误差对波束性能几乎没有影响，副瓣几乎不变。

图8： 第一种情况下增益误差对波束性能的影响

第二种情况中共用高位衰减器，通道内增益误差还是±0.25dB，此误差对波束性能的影响如图9 所示，结果显示误差对波束性能几乎没有影响。

图9： 第二种情况下增益误差对波束性能的影响

情况三中的通道内低位衰减器最小值为1dB，其增益误差为±0.5dB，此误差对波束性能的影响如图10 所示，结果显示此误差对波束性能有一定的影响，对主波束几乎没有影响，副瓣有小范围的抬高，其抬高的幅度小于0.5dB，在工程的可接受范围之内。

图10： 第三种情况下增益误差对波束性能的影响

5 结束语

本文研究主要分析了数字衰减器衰减位对有源相控阵天线副瓣的影响。通过共用高位衰减器的方法减少TR 芯片尺寸；为了提升通道衰减范围的调整能力，将低位衰减器的衰减值从0.5、1、2 调整为1、2 和4，单位是dB。通过仿真分析发现以上两种优化对相控阵天线副瓣影响不大。最后分析了通道增益波动对波束性能的影响，结果表明增益误差对波束性能的影响在工程可接受范围内，证明对芯片数字衰减器的优化方案是可行的。