采用印刷振子的赋形天线阵

1 引言

在现代战争中，担负着地面警戒任务的雷达系统面临着各种威胁和干扰，为了最大限度地保证武器系统的正常工作，提高其电子战能力和战场生存概率，人们采取了许多行之有效的措施，其中低截获概率和低副瓣天线则是两种行之有效的措施。雷达的窄波束、低副瓣不仅可以集中功率，提高雷达的作用距离，而且还可以增强电子对抗能力，抑制旁瓣干扰，降低被敌方电子侦察设备发现的概率和被反辐射导弹击中的概率。同时，对于搜索雷达来说，为了提高搜索目标的效率，需要展宽俯仰面内的方向图，使之成为具有一定波束宽度的赋形波束，以实现在指定的空域内高效搜索的要求。

此外，对于搜索雷达天线来说，要达到能够覆盖一定空域的要求，使得等高度但距离不同的目标均可以收到同等强度的回波信号，这就必须能够弥补能量与距离平方成反比而造成的能量损失，方向图能够补偿到目标距离的差异，也就是要求方向图具有特定的赋形。要使得天线的波束实现要求的水平面低副瓣、俯仰面特殊赋形的要求，单个天线是无能为力的，所以人们根据电磁波在空间的相干原理，把一些基本天线按照一定的规律排列起来，组成天线阵列，并赋予合理的激励分布来实现设计要求。即赋形波束平面阵列天线的综合设计。

2 单个印刷振子的计算

2.1 概述

印刷振子的两臂分别印制在介质基板（选用介电常数较小的）两个面上，其臂长为，宽度为。馈线是特性阻抗为的微带线，宽度为。微带线的底板宽度是渐变的，且只有有限宽度，长度为，由此便能实现平衡-不平衡变换及阻抗匹配。

2.2 相关技术指标

天线工作频段为L波段，相对带宽为：23%。波束最大值指向角4~8º之间。0度仰角以下辐射功率应比最大值低2dB，且具有锐截止特性（-6dB/度）。天线增益不小于5dB。E面（垂直面）波束宽度不小于30º。

2.3 尺寸计算

：振子臂长 ：馈电微带线宽度 ：振子宽度 ：振子到反射板距离 ：介质基板厚度 ：有限宽微带底板最大宽度 ：反射板长度

振子臂长： 振子宽度： 振子到反射板距离：馈电微带线宽度：

其中：h为介质基板厚度有限宽微带底板长度：有限宽微带底板最大宽度：反射板长度：

根据以上计算公式和相应的频率要求，即可得出模型各个参数的具体值。而后通过CST建立仿真模型为：

图1 单个印刷振子仿真模型

其s参数仿真结果为：

图2 单个印刷振子S参数仿真图

其中频远场仿真方向图为：

图3 单个印刷振子仿真方向图

3 五个印刷振子组阵

3.1 概述

如图，印刷振子所组成的阵列，天线辐射单元为5单元，并固定在多层介质板上，在阵列中的适当位置加装了反射板，并使馈电微带线从其中穿过(另一面馈线接地)，且与反射板不接触。

图4 印刷阵列模型

3.2 仿真合成方向图

由于合成后要求为赋形方向图，赋形宽度60º，如图：

图5 要求的赋形方向图

因此，对五个天线的输入信号必须进行合理的幅度和相位的匹配，以使合成的方向图能达到要求的效果。

按照用户图5的方向图要求，5个单元总体的赋形角度为60度，因此每个单元的平均角度为12度，按照图5的要求，从零度开始，每隔12度，对应一个幅度电平值，将其转化为分贝值，则可得出5个天线单元的相对幅度分布值为：0dB、-0.58dB、-1.2dB、-2.04dB、-3dB，这样就要求合成方向图的半功率波束宽度即要达到60º，这对后续馈电、功分网络的设计具有指导意义。

印刷振子的馈电方式对其辐射特性有较大的影响，因为馈电方式直接影响振子的电流分布。当前除了常用的同轴线背馈外，主要有两种馈电方式：一种是馈电微带线直接与印刷振子相连，即：微带馈线直接与振子中间相连，两侧振子电流方向相反，E面z轴方向辐射为零。还有一种是微带共面线分别与振子两臂相连，其与自由空间半波振子线馈电相似，因此最大辐射方向为z轴方向。通过仿真验证，决定选择第一种馈电方式，因此，第一个单元与第五个单元输入信号的初相位相差180º。通过输入相应的幅度和相位值，得到多组合成后的方向图，在此过程中发现合成方向图有如下规律：

（1）幅度的变化影响较小，幅度按三角形分布。（2）第2和第4单元相位值对方向图整体影响较大。（3）相位减小，可使方向图相应的部位降低。

由相关理论知：对一个阵列天线，其沿Z轴等距分布（z=0,d1,2d1......(n-1)d1，d1为相邻两个天线单元的间距）即均匀步进相移激励，得其阵主波瓣的指向为：，为相邻阵元的相移差，波束最大值指向角在4~8º之间，且5个单元均相同，因此的范围就在4~8º之间，这样根据上述公式即可得到相应的的值，即相邻两个天线单元之间的相位差值。通过计算，得到相邻振元相移差为3.4º左右。将此相位差输入到CST中，按照相应的计算，得其合成方向图为：