16×16多波束相控陣天線的設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種新型256元的Ka波段圓極化貼片天線陣列。該天線陣具有多波束掃描、掃描范圍廣等特點(diǎn)。利用切比雪夫加權(quán)方式，實(shí)現(xiàn)多種波束的多狀態(tài)掃描。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在中心頻率31GHz處，掃描范圍可達(dá)到±40°，波束寬度可控。
關(guān)鍵詞 相控陣天線；多狀態(tài)掃描；多波束

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)觀測(cè)目標(biāo)種類的增多，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)相控陣天線實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都是體積小、重量輕、共形等
問題。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模型，該模型利用圓極化微帶天線排列成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)在陣列法線方向各單元輻射場(chǎng)不再是同相疊加，而是在偏離法線某一方向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 天線單元設(shè)計(jì)
該陣列的天線單元采用微帶結(jié)構(gòu)，通過在貼片對(duì)角線E進(jìn)行切角實(shí)現(xiàn)圓極化。采用50 Ω同軸探針進(jìn)行饋電，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.1。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，貼片尺寸3．1 mm×3．1 mm，對(duì)角切角為腰長(zhǎng)0．44 mm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％。