基于阵元扩展法的阵列天线方向图研究

向 前, 张兰超, 毛晓军, 姜 弢

(1.海军驻武汉第七○一研究所军事代表室，湖北 武汉 430000；2.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于阵元扩展法的阵列天线方向图研究

向 前1, 张兰超2, 毛晓军2, 姜 弢2

(1.海军驻武汉第七○一研究所军事代表室，湖北 武汉 430000；2.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

提出一种分析阵列天线辐射方向图的阵列扩展方法。该方法在计算阵列天线辐射方向图时，只计入较邻近单元的互耦效应，忽略较远单元之间的互耦，从而简化了计算方法、加快了计算速度。以Vivaldi阵列天线为例，应用阵元扩展方法对其辐射方向图进行仿真计算，仿真结果和测试结果吻合，主瓣完全一致，副瓣基本一致。该阵元扩展方法可以应用在阵列天线辐射预测与仿真工作中。

阵元扩展方法；阵列天线；辐射方向图；Vivaldi天线

0 引 言

由于阵元之间存在互耦，基于经典法的辐射方向图乘积方法计算结果与真实情况之间存在较大差异，导致大型阵列天线辐射的方向图的分析和综合成为一个技术难题[1-3]。常规解决思路是应用全波仿真方法，但是对于大型阵列天线，由于实际工程中的阵元数目巨大，受到集群计算机运算能力的制约，该方法较难实现。因而寻找一种简捷而精确的大型阵列辐射图的计算方法显得尤为重要。

目前提出的单元激励方向图方法(或称为“本征激励方向图方法”)[4-5]，由其基本原理可见，阵中单元的单元激励方向图是该单元接内阻为匹配阻抗的单位电压源，其他单元端接匹配负载时整个阵列的方向图，所以单元激励方向图仍然是整个阵列的方向图，只是只有一个单元被激励而已。然而对于结构复杂的单元组成的大型阵列天线，如果采用数值方法计算单元激励方向图，则计算量将很大，凭借一般计算机运算资源和能力不可能在较短时间内完成如此大的计算量。

单元激励方向图方法计入了阵列中所有单元之间的互耦，而通过分析可以发现对于某一阵中单元而言，只有在它附近的单元对其互耦效应较大，距离较远单元互耦对其影响很小，甚至可以忽略。为了在现有的计算机资源情况下，对由结构复杂的天线单元组成的阵列的计入互耦的方向图进行分析计算，本文将单元激励方向图方法进行改进，得到了近似的单元激励方向图方法，称之为阵元扩展方法。这种方法在计算阵中单元的单元激励方向图时，该单元接内阻为匹配阻抗的单位电压源，同时只留下了离该单元较近的单元并端接匹配负载，而将其它单元彻底去掉，忽略了较远单元之间的互耦，从而大大减小了计算量。

文中应用阵元扩展方法，对包含144个阵元的Vivaldi阵列天线的方向图进行仿真计算，并且参考荷兰科学技术学会的实测数据，通过仿真结果与测试结果的对比，证明了阵元扩展方法的正确性和可行性。

1 阵列天线的设计

Vivaldi天线是P.J.Gibson于1979年提出的一种非周期、渐变、端射行波天线[6]，之后，很多人对其结构、馈电、辐射特性等都进行了进一步的研究[7-9]。

该天线具有天线副瓣低、波束宽度可调、高效率、高增益、宽频带等特性，在实际的阵列天线中得到了广泛的应用，并且该天线为微带结构，具有尺寸小、成本低、结构简单、易于加工等特点，因此选用Vivaldi阵列天线作为研究对象[10-11]。

通过理论计算以及仿真分析，设计出适用于S波段的微带线-槽线馈电结构的Vivaldi天线，其结构如图1所示，建模模型如图2所示。

以该Vivadli天线作为阵元，组建了一个144阵元的阵列天线，图3为144个阵元排列示意图。在Vivaldi阵列天线中，每一个纵列或者每一行的阵元间距是3.02 cm，研究的频率取为5 GHz，亦即半波长，很明显，该平面阵跟一般的平面阵是不同的，它由2个相互垂直的平面阵组成，其阵元数目为8×9×2个，即144个。

图1 Vivaldi天线单元的结构示意图Fig.1 Schematic of Vivaldi antenna element

图2 单个Vivaldi天线单元的建模模型示意图Fig.2 Schematic model of single Vivaldi antenna element

图3 阵元排列示意图Fig.3 Schematic arrangement of array elements

2 仿真结果及验证分析

为了验证阵元扩展方法的正确性，本文在不同激励情况下，对Vivaldi阵列天线的辐射方向图进行了仿真计算，并将仿真数据与荷兰科学技术协会的实测数据进行了对比分析。

1)在144个阵元中，只激励中心一个单元，其他单元接匹配负载，激励阵元示意图如图4所示，仿真结果I与测试结果I如图5所示。

图4 激励中心阵元示意图Fig.4 Schematic of excitation center elements

图5 仿真结果I与测试结果I对比Fig.5 Comparation between simulation I and test I

2)在144个阵元中，等幅同相激励28，30，44，46四个单元，其他单元接匹配负载，激励阵元示意图如图6所示，仿真结果II与测试结果II如图7所示。

图6 激励28，30，44，46阵元示意图Fig.6 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

图7 仿真结果II与测试结果II对比Fig.7 Comparation between simulation IIand test II

3)在144个阵元中，等幅同相激励29，36，45，38四个单元，其他单元接匹配负载，激励阵元示意图如图8所示，仿真结果III与测试结果III如图9所示。

图8 激励29，36，45，38阵元示意图Fig.8 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

图9 仿真结果III与测试结果III对比Fig.9 Comparation between simulation III and test III

由以上仿真结果和实测结果对比可看出，应用本文所提出的阵元扩展方法仿真得到的方向图与测试数据的吻合度非常理想，其中有72%的数据误差控制在5 dB以内，并且在主瓣部分，仿真结果与测试结果基本相同。这说明，文中所提出的阵元扩展方法正确可行，并且误差控制在较小的范围内。

图10给出了对114个阵元全部等幅同相激励时，Vivaldi阵列天线的三维方向图。

图10 阵列天线三维方向图Fig.10 Three dimensional pattern of the array antenna

4 结 语

为了更加简便地、快速地、准确地计算结构复杂的大型阵列天线的辐射方向图，提出了阵元扩展方法。该方法是与单元激励方向图方法近似的一种方法，这2种方法都考虑了阵列天线中各单元之间的耦合，但不同的是，单元激励方向图方法同时将较近和较远单元的耦合效应计算在内，而阵元扩展方法忽略了较远单元的耦合效应。因此阵元扩展方法简化了计算过程，加快了计算速度。

为了验证阵元扩展方法的正确性，使用六台扬天M4680M计算机并行计算144阵元的Vivaldi天线阵列的辐射方向图，并将仿真数据与实测数据进行了对比。通过对比结果可知，有72%的数据在5 dB误差以内，且主瓣区域完全重合，证实了仿真方法的正确性。并且仿真时间仅有6 h，相比于其它仿真手段，大幅度的提高了仿真效率，突破了大型宽带阵列天线的仿真时间过长的问题。因此，阵元扩展方法是正确可行的，能够在阵列天线辐射方向图问题中发挥重要作用。

但是，从对比结果中还可以看出，随着角度偏离法线方向，误差呈增大趋势，如何更好的减小误差，增加阵元扩展方法的准确性，需要进一步的深入研究。

[2] Ngo Thi Huong, Le Mai Ngoc Quynh Trang, Nguyen Quoc Dinh, Naobumi Michishita and Yoshihide Yamada.Asymmetrical radiation pattern synthesis of a linear array antenna by a least mean square method[C].International Conference on Advanced Technologies for Communications,2014:559-562.

[4] 卜安涛,史小卫.天线方向图综合中的本征激励方法[J].西安电子科技大学学报,2004(2):243-247.

[5] 张志军,冯正和.基于去耦分析的圆形阵列方向图综合[J].电子学报,1998,26(3):33-57.

[6] GIBSON P J.The vivaldi aerial[J].Proc 9th Microwave Conference,1979,12(2):101-105.

[7] ERIC T.FD-TD Analysis of vivaldi flared horn antenna and arrays[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,1994,42(5):633-640.

[8] 许唐红, 张弘, 王东, 等.高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计[J].强激光与粒子束,2013,25(3):685-688.

[9] MORTEZA B, AHAD T, ROUZBEH M.Analysis of vivaldi antenna over a finite ground using a FDTD method[J].IEEE,2003,12(2):904-907.

[10] 陈腾.Vivaldi天线及其阵列的隐身设计[D].南京; 南京航空航天大学,2012.

[11] 刘聪.X波段Vivaldi阵列天线单元及互耦研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2012.

Research on radiation pattern of array antenna based on element extension

XIANG Qian1，ZHANG Lan-chao2，MAO Xiao-jun2，JIANG Tao2

(1.The Navy Representative Office in 701 Institute,Wuhan 430000,China；2.College ofInformation and Communication Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Array element extension method is presented in this paper.When this method is adaopted to calculate the radiation patterns, just the mutual coupling of the adjacent elements is computed and the mutual coupling of the remote elements is ignored, which simplified the calculation and accelerateed the computation.Taking the Vivaldi array antenna as an example, array element extension method is applied to calculate its radiation patterns.The studies showed that the simulation and measured results were anastomotic, completely consistent in the in the main lobe and basically consistent in the side lobes.The proposed array element extension method is effective and can be applied in the estimation and simulation of the radiation pattern of array antenna.

element extension; array antenna; radiation pattern; Vivaldi antenna

2015-04-09；

2015-07-27

向前(1978-)，男，工程师，主要从事舰船总体电子武备专业。

TN820

A

1672-7649(2015)10-0111-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.023