相控阵天线方向图仿真方法评估

向 前，王 萌

(1.海军驻武汉七〇一研究所军事代表室，湖北武汉 430064;2.中国舰船研究院，北京 100192）

相控阵天线方向图仿真方法评估

向 前1，王 萌2

(1.海军驻武汉七〇一研究所军事代表室，湖北武汉 430064;2.中国舰船研究院，北京 100192）

相控阵天线方向图是天线的一个重要指标，对于评估舰船关键区域的场分布以及电磁兼容性也有重要的参考价值。因此作者针对2种相控阵天线的仿真方法，即全波仿真分析法、方向图乘积法进行研究，评估2种方法的精度差异。

相控阵天线;方向图;仿真方法

0 引言

天线所辐射的无线电波在空间上的分布通常不均匀，这就是天线的方向性。天线的辐射方向图(简称方向图）是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化。在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数［1］。

对于相控阵天线而言，方向图是天线的一个重要指标。随着水面舰艇相控阵天线数量的增加，研究相控阵天线的方向图计算方法具有越来越重要的现实意义。因此作者在此研究相控阵天线方向图的仿真方法，提出工程中切实可行的计算方法，为评估水面舰艇电磁环境，分析可能存在的单舰和编队电磁干扰提供参考。

1 相控阵天线方向图的全波仿真分析方法

矩量法是一种求解线性方程的方法［2］。对于方程:

式中:L为线性算子;g为已知函数;f为未知函数。令f在L的定义域中展开为f1，f2，f3…的组合，如

在严格的矩量法步骤中，应当把所处理问题中的所有物体都取走，而代之以自由空间辐射的等效电磁流［3］。因此，当要求出第m个检验函数对第n个基函数产生的场反应时，只需要考虑通过最短的自由空间路程直接到达第m个检验函数的场，因为这是唯一有可能的场。但如果在某种情况下把所处理问题中部分物体保留下来而不用等效电磁流取代它，则阻抗矩阵元素的计算就有些复杂了。假设Zmn'是新的阻抗元素，则式中Wm对L(Jm）的反应可以解释为有检验源Wm对由实际源直接到达的场的反应以外，还要加上检验源对由实际源通过其他途径到达检验源的场的反应。因此新的阻抗矩阵可以写为

式中:Ei为直接到达m区的入射场;CEi则为从源经过一个物理过程g再到达m区的场。

于是:

其中I'为在某种散射机制存在时发射天线上的电流。

采用矩量法进行计算需要对天线模型，按照目前流行的RWG方式按照0.2λ进行剖分［4］，结果如图1所示。

图1 相控阵天线剖分模型Fig.1 Model of anay antema

根据相控阵天线的工作频率，赋予各单元一定的幅度和相位激励，仿真计算得到相控阵天线仿真方向图如图2所示。

图2 相控阵天线仿真方向图Fig.2 Pattern of anay antenocc

2 相控阵天线方向图的乘积定理分析法

天线单元的方向图如图3所示。

图3 天线单元方向图Fig.3 Pattern of phased array antenna unit

如图4所示的天线阵，x方向有Nx个单元，y方向有Ny个单元，设编号为 (i，j）单元的坐标为(xi，yj），则有

图4 阵列天线示意图Fig.4 Phased array aatenna

设场点的坐标为(x0，y0，z0），则某个单元和场点之间的距离为

3 相控阵天线方向图

采用方向图乘积定理，仿真计算得出某相控阵天线的方向图如图7所示。

图5 相控阵天线方向图Fig.5 3D pattern of phased array antenna

图6 相控阵天线俯仰面二维方向图Fig.6 2D pattern of phased array antenna

为了便于比较方向图的差异，用2种方法计算俯仰面二维方向图并进行数值比对。方位面的方向图都是标准的圆形或者8字形，因此只需要对比俯仰面即可，比对结果如图8所示，方向图大部分方向上，误差小于1 dB，可以满足实际工程的需要。

4 结语

本文研究对比全波方法与方向图乘积方法计算相控阵天线方向图。通过对比表明，对于大型阵列天线，采用方向图乘积方法计算精度高、计算速度快，是工程中一种较实用的方向图计算方法。

［1］魏文元，宫德明，陈必森.天线原理［M］.北京:国防工业出版社，1985.

［2］HARRINGTON R F.Field computation bymomentmethods［M］.MacMillan，New York，1968.

［3］哈林登 R F.计算电磁场的矩量法［M］.王尔杰，等译，北京:国防工业出版社，1981.

［4］RAO SM，WILTON D R，GLISSON A W.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape［J］.IEEE Trans.1982，30(3）:409 －418.

Themethod of the phased array pattern computation

XIANG Qian1，WANG Meng2
(1.Navy Representative Office of Navy in The 701 Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

The pattern is important to phased array，so the author study on the simulation method of phased array pattern，and present the feasible method.By evaluating the different method，the author presents a suitablemethod for the engineer.

phased array;pattern;computation method

TN821+.8

A

1672－7649(2014）04－0120－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.025

2013－10－10;

2014－02－20

向前(1978－），男，博士，工程师，从事武器系统运用工程研究。