【相控陣天線原理綜述3400字】

相控陣天線原理綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u12766相控陣天線原理綜述 1310301.1靜態波束形成 2180701.1.1均勻線陣的方向圖 2245591.1.2均勻線陣的靜態方向圖 431751.1.3均勻線陣靜態方向圖性能分析 4262851.2相控陣電子波束掃描 774871.2.1相控陣天線波束掃描原理 7153701.2.2均勻線陣相控陣波束掃描 882121.2.3均勻線陣相控陣波束掃描性能分析 9相控陣天線是由許多輻射天線單元按照一定的規律排列構成的陣列天線，它能夠控制陣列天線各單元的相位，改變天線方向圖最大值的指向，實現波束自動掃描功能。相控陣天線的工作原理是對按照一定規律排列的基陣陣元的信號都加上適當的延時，從而獲得陣列的波束偏轉，在不同方位上同時進行相位延時，就可以獲得多個波束。采用傳統的機械方法旋轉天線時，速度慢且慣性大，不能夠準確的獲得所需相位，相控陣天線不必采用機械轉動，就可以在所要觀察的空間范圍內實現波束的掃描，整個相移變化只需要幾微秒。與普通的陣列天線相比，相控陣天線具有以下優點。【相控陣雷達技術】(1)可以對天線的波束進行快速掃描，相控陣天線采用移相器來實現波束掃描，掃描所需時間短，無慣性。采用鐵氧體移相器的波束轉換時間為3-100微秒，采用半導體二極管移相器的波束轉換時間為幾個微秒。(2)可以迅速改變天線波束的形狀，不僅可以采用移相器“僅相位”加權法實現波束形狀迅速改變，還可以采用移相器和電控衰減器“幅相”聯合加權的方法實現波束形狀的迅速改變。(3)具有多波束形成的能力，依靠相應轉換波束控制信號可以很方便地在一個重復周期內形成多個指向不同地發射波束和接收波束。(4)具有多目標搜索、識別和跟蹤能力，相控陣天線可以迅速的實現一個或者多個主波束，并且指向不同的方向，每個主波束都能夠鎖定一個目標。(5)具有高的容差性，相控陣天線是由許多陣列單元構成的，在工作時，如果有部分天線出現故障，也不會對整個天線造成嚴重影響。第三章主要介紹了靜態波束形成原理和相控陣波束掃描原理。在靜態波束形成方面，利用Matlab軟件進行仿真，繪制出了波束指向時的均勻線陣歸一化方向圖，并采用控制變量法考察陣元數、陣元間距、波長分別對均勻線陣主瓣寬度、副瓣電平的影響；在相控陣波束掃描方面，利用Matlab軟件進行仿真，繪制出了波束指向、、、、的均勻線陣歸一化方向圖，實現了相控陣的波束掃描，然后采用控制變量法考察陣元數、陣元間距、波長分別對均勻線陣主瓣寬度、副瓣電平的影響。1.1靜態波束形成1.1.1均勻線陣的方向圖均勻線性陣列(UniformLinearArray)是指各單元中心沿直線等間距排列的陣列天線，設有個陣元，相鄰陣元之間的距離為，由個陣元構成的均勻線性陣列如圖1.1所示。圖1.1均勻線陣模型假設遠場信號為，若以圖2.1中陣元1作為參考點，各陣元依次輸出的信號為(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)式中，，為工作波長，是陣元間距，是陣元1與陣元2之間的波程差，是由波程差所產生的相位差，對應的波矢量為，位置矢量為，此陣列輸出可以表示為(3-5)其中，是導向矢量，。通過將各陣元的輸出進行加權求和，在一時間內將天線波束“導向”到一個方向上，對期望信號得到最大輸出功率的導向位置給出波達方向估計[邵咪]。即輸出可以表示為(3-6)式(3-6)中，令，稱為方向圖。對于均勻線陣，當波束形成指向時，，陣列的方向圖可以表示為(3-7)對(3-7)式進行化簡得均勻線陣的方向圖函數(3-8)式(3-8)中，。由于方向圖是用來表示天線在不同方向上輻射場的相對大小，所以在繪制方向圖時常用歸一化方向圖函數，即在最大輻射方向上方向函數的值等于1。歸一化方向圖函數可以表示為(3-9)其中，為方向圖函數的最大值。1.1.2均勻線陣的靜態方向圖靜態方向圖是將陣列輸出的直接相加，即不考慮信號及波束指向，當時陣列輸出具有最大值，令式(3-7)中的就可以得到均勻線陣的靜態方向圖。圖1.2是利用Matlab軟件進行仿真繪制出的陣元數為8、陣元間距，波長為0.03的均勻線陣歸一化靜態方向圖。圖1.2均勻線陣歸一化靜態方向圖如圖1.2所示的8陣元均勻線陣歸一化靜態方向圖，其主瓣寬度為，副瓣電平為-12.80dB。1.1.3均勻線陣靜態方向圖性能分析在1.1.2的基礎上，采用控制變量法考察陣元數、陣元間距以及波長對于均勻線陣的性能影響。首先，保證陣元間距和波長不變，令陣元間距為，波長為0.03，將陣元數依次設置為8、16、32，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.3；接下來，保證陣元數和波長不變，令陣元數為16，波長為0.03，將陣元間距依次設置為、、，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.4；最后，保證陣元數和陣元間距不變，令陣元數為16，陣元間距為0.08，將波長依次設置為0.02、0.03、0.04，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.5。圖1.3均勻線陣靜態方向圖與陣元數的關系表格1.1圖1.3所示的均勻線陣靜態方向圖的基本參數m=8m=16m=32主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.351.17-12.80-11.15-11.23結合圖1.3和表1.1可以看出：在陣元間距為、波長為0.03的情況下，隨著陣元數的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩定在-13dB左右。圖1.4均勻線陣靜態方向圖與陣元間距的關系表格1.2圖1.4所示的均勻線陣靜態方向圖的基本參數主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15結合圖1.4和表1.2可以看出：在陣元數為16、波長為0.03的情況下，隨著陣元間距的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩定在-13dB左右。圖1.5均勻線陣靜態方向圖與波長的關系表格1.3圖1.5所示的均勻線陣靜態方向圖的基本參數主瓣寬度()副瓣電平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15結合圖1.5和表1.3可以看出：在陣元數為16、陣元間距為0.08的情況下，隨著波長的增大，主瓣寬度變寬，副瓣電平穩定在-13dB左右。綜上所述：陣元數、陣元間距與主瓣寬度成反比關系，波長與主瓣寬度成正比關系；副瓣電平始終保持在-13dB左右，與2.2.6中的理論知識一致。1.2相控陣電子波束掃描1.2.1相控陣天線波束掃描原理觀察均勻線陣的幅度方向圖函數(3-8)式可知：當陣列數足夠大時，比較小，故，將(3-8)式繼續化簡得到線陣的幅度方向圖函數(3-9)當時，有最大值。當波束指向發生變化時，陣列方向圖的主瓣最大指向也會隨之變化，故改變波束指向，就可以實現相控陣波束掃描功能。1.2.2均勻線陣相控陣波束掃描利用Matlab軟件進行仿真實現相控陣波束掃描，圖1.6是陣元數為8，工作頻率為，陣元間距為，將波束指向依次設置為、、、、，繪制出的歸一化均勻線陣方向圖。表1.4是波束指向發生改變時，各個陣元的理想配相情況。圖1.6相控陣的波束掃描表格1.4圖1.6所示各個陣列方向圖的理想配相陣元序數12345678波束指向時理想配相/()0-115.70-231.40-347.11-102.81-218.51-334.21-89.91陣元序數12345678波束指向時理想配相/()0-61.56-121.13-184.69-246.25-307.82-9.38-70.95陣元序數12345678波束指向時理想配相/()00000000陣元序數12345678波束指向時理想配相/()061.56121.13184.69246.25307.829.3870.95陣元序數12345678波束指向時理想配相/()0115.70231.40347.11102.81218.51334.2189.911.2.3均勻線陣相控陣波束掃描性能分析在1.2.2的基礎上，利用控制變量法考察當波束指向、時，陣元數、陣元間距、波長對均勻線陣性能的影響。(1)當陣元間距為、波長為0.03、波束指向分別為、時，將陣元數依次設置為8、16、32，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.7，觀察主瓣寬度和副瓣電平的變化。圖1.7(a)波束指向時，均勻線陣方向圖與陣元數的關系圖1.7(b)波束指向時，均勻線陣方向圖與陣元數的關系表格1.5圖1.7所示的均勻線陣方向圖的基本參數波束指向時m=8m=16m=32主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.351.17-12.80-11.15-11.23波束指向時m=8m=16m=32主瓣寬度()12.726.351.17副瓣電平(dB)-12.80-11.15-11.23通過觀察圖1.7和表1.5可知：當波束指向、時，隨著陣元數的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩定在-13dB左右。(2)當陣元數為16、波長為0.03、波束指向分別為、時，將陣元間距依次設置為、、，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.8，觀察主瓣寬度和副瓣電平的變化。圖1.8(a)波束指向時，均勻線陣方向圖與陣元間距的關系圖1.8(b)波束指向時，均勻線陣方向圖與陣元間距的關系表格1.6圖1.8所示均勻線陣方向圖的基本參數波束指向時主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15波束指向時主瓣寬度()12.726.354.23副瓣電平(dB)-11.15-11.15-11.15通過觀察圖1.8和表1.6可知：當波束指向、時，隨著陣元間距的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩定在-13dB左右。(3)當陣元數為16、陣元間距為0.08、波束指向分別為、時，將波長依次設置為0.02、0.03、0.04，利用Matlab軟件進行仿真得到圖1.9，觀察主瓣寬度和副瓣電平的變化。圖1.9(a)波束指向時，均勻線陣方向圖與波長的關系圖1.9(b)波束指向時，均勻線陣方向圖與波長的關系表格1.7圖1.9所示均勻線陣方向圖的基本參數波束指向時主瓣寬度()副瓣電平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15波束