均匀圆阵列参数分析

黄 珂

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安 710071)

由多个辐射元沿着圆环均匀排列而组成的平面阵成为均匀圆阵列［1］。与线阵、相控阵相比，对于均匀圆阵列天线的研究起步较晚。虽然可以借鉴和参考一些相对成熟的，基于线阵或者相控阵的分析和综合方法，但均匀圆阵列的特殊结构特性［2］决定了这些方法不能直接被移植。因此，对于均匀圆阵列的基础研究显得尤为重要。

1 均匀圆阵列的方向图函数

设有N个各向同性辐射元沿着半径为a的圆周排列而构成了圆环阵，如图1所示。圆环阵位于xy平面上。把每个辐射元对远区场点的贡献叠加就可以求得此圆环阵的远场方向图函数［3］

其中，In是位于φ=φn处得第n单元的激励电流;αn是相应的激励相位。如果主瓣最大波束指向为(θ0，φ0)，则第n单元的激励相位应选为

图1 均匀圆阵列

其中

2 阵列半径对阵列方向图的影响

阵列工作频率f=1.35 GHz，λ为工作波长，阵元数目N=8，不失一般性，假定阵列最大波束指向为θ=20°，φ =30°，则每个阵元的激励相位可由式(2)，式(3)得出，每个阵元等幅激励。现在分别令阵列半径 a=0.75 λ，a= λ，a=1.25 λ，所得阵列俯仰面和方位面方向图分别如图2和图3所示。

从图2和图3可以初步看出随着半径的增加，阵列主瓣宽度逐渐减小，第一副瓣电平变化不大。为更深入地研究这种变化，在0.5λ～2λ区间取更多值，计算阵列的半功率波束宽度和第一副瓣电平。

表1 阵列半径对俯仰面方向图特性的影响

表2 阵列半径对方位面方向图特性的影响

根据表1和表2，发现随着阵列半径的增加，在俯仰面和方位面半功率波束宽度都在逐渐减小，并且增加的幅度在逐渐减小。而在俯仰面，第一副瓣电平不随阵列半径的变化而变化，在方位面也只是在很小的区间浮动。

3 阵元数目对阵列方向图的影响

阵列工作频率f=1.35 GHz，λ为工作波长，N为阵元数目，同样，不失一般性，这里假定阵列最大波束指向为θ=20°，φ=30°，各阵元等幅激励，激励相位由式(2)和式(3)可以得出。阵列半径a=λ，分别令N=4，N=8，N=16，所得阵列俯仰面和方位面方向图分别如图4和图5所示。

由图4和图5可以N=8和N=16时方向图基本重合，但与N=4时不同，为更深入研究这种变化，在N=4到N=64区间取更多值，计算阵列俯仰面与方位面的半功率波束宽度和第一副瓣电平。

表3 阵元数目对俯仰面方向图特性的影响

表4 阵元数目对方位面方向图的影响

根据表3和表4，发现阵元数目无论是在俯仰面和方位面，对半功率波束宽度都没有影响。当在阵元数目4≤N≤8时，第一副瓣电平有较大浮动，且副瓣特性差。而当N≥8时，俯仰面与方位面的第一副瓣电平都不再变化，均为－7.9 dB。

4 结束语

通过以上的研究，可知阵列半径对于阵列半功率波束宽度影响较大，阵列半径越大，半功率波束宽度越小。但随着半径的增加，阵列所占空间增大，不利于与移动载体共形，所以应当予以平衡考虑。而阵元数目对阵列特性影响很小，所以只需要取能满足设计需求的最小值即可。

［1］吕善伟.天线阵综合［M］.北京:北京航空学院出版社，1988.

［2］李颖.均匀圆阵列天线系统性能分析［D］.长沙:国防科学技术大学，2004.

［3］汪茂光，吕善伟，刘瑞祥.阵列天线分析与综合［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1987.

［4］段鹏辉，郑会利.阵列天线的切比雪夫方向图综合［J］.电子科技，2009，22(1):5 －8，16.

［5］张明民，鄢泽洪.圆极化微带阵列天线的设计［J］.电子科技，2010，23(9):45 －47.