相控阵天线

作者:澳门最正规网投平台 发布时间:2020-12-10 18:41

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  相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向,以达到波束扫描的目的。

  在特殊情况下,也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状,例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。 用机械方法旋转天线时,惯性大、速度慢,相控阵天线克服了这一缺点,波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制,相位变化速度快(毫秒量级),即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。

  一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路,有时几个辐射单元共用一个移相器。共用一个移相器的单元组合称为子阵

  为了降低成本和简化结构,可以把天线设计成在一维范围内(例如在水平面内)用机械方法旋转,而在另一维范围内(例如在垂直平面内)用相控方式来控制波束的扫描。这种混合式扫描天线已得到广泛应用。

  相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°~360°范围内连续变化,数字式移相器的移相值是离散的,只能是360×(1/2)^n的整数倍,式中

  是数字式移相器的位数。例如3位数字式移相器的移相值只能是 45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值,同时还需要满足一定的耐功率和温度稳定性等要求,以保证相控阵天线能在不同频率上和在变化的环境条件下正常工作。

  天线辐射单元的设计应使一定移相范围内(或波束扫描范围内)和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小,以保证发射机正常工作,防止由于射频信号多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点(盲点)的现象。为此,可采用互耦小的单元或采取专门的去耦措施。

  相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下,射频能量通过波导、同轴线微带线(见微带线和类微带线)等微波传输线馈给辐射单元。移相器置于微波传输线路内。在空间馈电方式下,发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间,传输一段距离后由一个接收阵接收,接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号,经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。在这种情况下,移相器位于发射阵和接收阵之间。空间馈电的馈电线路简单,但需要增加一个接收阵。传输线馈电的馈电线路复杂。

  相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由于单元方向图和阻抗的限制,通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥,加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描。

  若仅要求方向图最大值在空间移动(扫描),只需要形成线性变化的相位分布。这时方向图的最大值方向垂直于等相位面。使用数字式移相器时,除了几个特殊角度以外,一般得不到精确的线性相位分布。这时在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣,其大小与具体的相位分布规律有关。为了满足特殊要求,则需要采用方向图综合法,事先算出所需的阵面相位分布。例如,可以将阵面分成若干个区域,把每一区域都看成独立的阵面来设计这个阵的方向图,这样就能在空间得到多个同时存在的波束,也可以利用特殊的相位分布使方向图变宽或形成余割平方形方向图。

  为了简化馈电结构,有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点,可采用密度加权,即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的,其分布密度按一定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元,以改善辐射单元的阻抗特性。

  相控阵天线辐射单元的数量多,当失效单元数在5%以下时对天线阵性能的影响不大,因而可靠性较高。

  雷达中使用相控阵天线后,波束控制灵活性显著提高,故可制成多功能雷达,使一部雷达起几部常规雷达的作用。随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现,相控阵天线的成本正不断下降,体积越来越小,重量也在进一步减轻。


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