基于二元交替激励的一维线阵控制方法

赵 骏，李 蔚

（1.海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001；2.国防科技大学电子科学与工程学院，长沙410073）

在通信、雷达等领域，阵列天线因为方向图灵活可调控而得到了越来越广泛的运用。通过对离散阵列天线各天线单元的间距、激励幅度和相位进行调整，可满足不同的方向性需要，用以形成特定的方向图、实现扫描或其他特殊性能。由方向图乘积定理[1]可知，天线阵的方向性函数D(θ,φ)可以表示为单元天线方向性函数f(θ,φ)和阵因子方向性函数F(θ,φ)的乘积：

式中，阵因子方向函数F(θ,φ)是阵中各天线元的位置、激励电流幅度和相位的函数。假设天线阵中各个天线元互相间的耦合很小，可以忽略不计，则所有阵元应该具有相同的方向性函数。因此，在阵元已经选定的情况下，要控制整个天线阵的方向图，只要合理地调控阵因子的方向性函数即可。

1 方向图电控制

由于单一天线的方向图形式单一，且无法通过控制衰减和相位随意改变其主瓣方向，因而难以实现对于天线方向图的电控制。对此，可以采用多个阵元天线通过一定的相位、衰减组合，有效地克服该难题，实现对整体方向图的电控制。方向图电控制的优势在于：不需要天线本身进行机械上的运动，只需要调整各个阵元的相位与衰减，就可以实现对主瓣位置、主瓣方向以及天线增益等各方面的调整。

方向图电控制可以用于调控阵列天线主瓣出现的位置及幅度。由于阵列天线整体长度相对于介质内波长较长，若将阵列天线发射出的微波信号作为观测方所观测到的一个目标，则其主瓣出现位置的不同将可以模拟目标在角度上的变化情况。

目前，对阵列天线的研究较为成熟，对于各个不同波段的阵列天线方向图的控制都产生了一些不错的方法[2-4]。由于阵列天线的各阵元间距离普遍较近，而阵元数又众多，多个阵元天线相互间的耦合是必然存在的。而互耦的计算十分繁琐，在许多理论计算及设计中都将其忽略，这样做带来的影响则是实验数据与仿真结果不一致，甚至存在较大偏差。之后，也出现了将阵列天线中的基本单元二元阵作为研究重点来研究阵列天线整体特性的方法[5-6]。以下将探究根据阵元的位置，每次只让相邻的2个阵元工作，即二元阵交替激励来调整整个阵列天线的方向图的方法，及其在简化运算、减小理论设计与实验数据差异等方面的有效性与可行性。

2 阵列天线方向图调控方法设计

2.1 阵列天线的构成

选取矩形微带贴片天线作为阵元天线，微波频段为X波段，波长λ为厘米级。关于微带贴片天线的设计，在特定的波段有特定的方法[7-11]。根据文献[12]的阐述，为了保持馈电的稳定性以及有效地调控多次谐波，将矩形微带天线的长和宽均设计为0.49λ ≈λ/2，则有其H 面的归一化方向性函数为[13]

其H 面的归一化方向图如图1所示。

图1 矩形微带贴片天线H 面的归一化方向图Fig.1 Rectangular microstrip patch antenna H normalized pattern

由于该矩形微带天线的长和宽均为λ 2，为了减小耦合的影响，适当选取各阵元之间的间距L。又考虑到间距L 与波长λ的比值会直接影响阵因子方向图，因而折衷选取间距L 与波长λ的比值为1.562 5。此时，若激励幅度与相位均相同，则根据方向图乘积定理，得到二元阵的H 面归一化方向图，如图2所示。

图2 激励幅度与相位相同时二元阵H 面归一化方向图Fig.2 Binary antenna H normalized pattern while the amplitude and phase of excitation are the same

将这样的微带贴片天线按照间距L 在一条直线上进行排列，构成阵列天线如图3所示，其方向图由相邻的2个阵元形成的二元阵交替工作形成。

2.2 阵列天线方向图调控方法的设计

该由二元阵交替激励组成的阵列天线，要测试其对天线方向图的调控能力，可以采用等幅扫描的方法，即控制阵列天线的方向图主瓣位置在天线阵所在直线上移动，且主瓣最大幅度保持不变。

设定接收测试点在阵列天线的法线上距离天线长度为R，由于二元阵的间距L相比于R很小，令L/R=tan α ≈α=0.017 5 rad=1°，其中α为观测角（例如L=50 mm时，R=2 850 mm）。则从接收测试点看来，1个二元阵所占的角度约为1°。

如把每个二元阵等分为10段，则在二元阵上得到11个端点。设二元阵的激励信号功率为P，经过3 dB功分器平均分配给2个阵元天线，则每个阵元的初始输出功率为P-3（dBm），通过衰减器控制2个阵元天线的衰减量分别为A1和A2，则在天线匹配的情况下，总辐射功率为

要实现等幅扫描，就要使总辐射功率始终相同。其中主瓣落在一个阵元上时，总辐射功率为P-3，以此为标准有：

要控制二元阵方向图的主瓣在这些端点上等幅移动，可设置11组阵元天线激励的相对衰减，见表1。

表1 阵元激励相对衰减Tab.1 Relative attenuation of antenna units

3 数值结果

为了验证基于二元阵交替激励的阵列天线方向图调控方法的可行性，用10个阵元天线组成了长度为9L的阵列天线。在阵列天线的法线上距离天线长度为R的接收测试点上接收天线辐射信号，运用表1中的激励衰减量，并保持激励相位的一致，测出天线的方向图数据。运用软件对实验数据和理论仿真作图进行比较，可以得到实际效果与理论推导的偏差。在1个二元阵单元中，根据方向图主瓣的移动已把二元阵在阵列天线的轴向上分为10 段共11个端点，由于对称性只须对一侧的6个端点的情况进行分析即可，从二元阵中点到端点的理论与实验结果H 面归一化方向图分别如图4中a）～f）所示。由图4可以看出，实验数据得出的H 面归一化方向图中主瓣位置与理论推导较为一致，副瓣电平也与理论推导大致相同。不同的是实际实验中，方向图的0°与180°方向上出现了很小的旁瓣，这也是微波天线实验中经常遇到的现象，主要是由于天线本身方向性的不完美造成的。另外，实验所得的方向图的形状与理论推导的略微不同，但是都在可以接受的范围之内。主瓣在不同位置时接收点测得的最大功率即主瓣的最大功率分别为-43.1 dBm、-43.6 dBm、-45.2 dBm、-43.7 dBm、-42.8 dBm和-44.9 dBm。显然，运用该方法可实现在1个二元阵中的等幅扫描。

图4 理论与实验H 面归一化方向图比较Fig.4 Comparison of H normalized pattern in theory and experiment

当不同二元阵交替激励时，主瓣位置从1个二元阵过渡到另1个相邻的二元阵上。通过与上述类似的主瓣最大功率的测量，经实验数据验证得出主瓣是等幅移动的，而天线方向图则是以二元阵为单位进行类周期性的变化。其中在9个长度为L的二元阵中最具有代表性的主瓣在中点时的H 面归一化方向图依次如图5中各图所示。

图5 各二元阵中点H 面归一化方向图Fig.5 H normalized pattern in each binary antenna

4 结论

本文从二元阵的结构及方向图入手，结合公式推导，得出了一种基于二元阵交替激励的阵列天线方向图调控方法。并通过实际测试得到阵列天线的方向图数据，运用软件得出其各个状态下的方向图，与理论推导的情况有较高的吻合度，证明了该种方法在控制阵列天线的方向图方面的可行性。另外，由于采取二元阵交替激励的方法，有效地降低了运算难度，并较为有效地避免了阵元之间的互耦。另一方面，此种方法在个别位置略微降低了天线方向图的尖锐度，产生了一定的副瓣，并不适合于对方向图的定向性有很高要求的情况，这是需要进一步深入研究的一个问题。

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