教授 万方数据 分类号 密级 UDC 注1 学 位 論 文 L 波段相控阵列天线原理技术研究 （题名和副题名） 王海 （作者姓名） 指导教师 肖绍球 教授 电子科技大学 成都 耿京朝 研究员 中国电科第 54 研究所 石家庄 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士 专业学位类别 工程硕士 工程领域名称 电子与通信工程 提交论文日期 2012.10 论文答辩日期 2012.11 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我┅同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权论文使用授权 夲学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位论文 的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允許论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等複制手段保存、汇编学位论文 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘 要 相控阵技术自上世纪 60 年代以来，作为阵列天线原理的一种在现代雷达和通信 技术领域发展迅速。近年来随着技术的进步，特别是微电子技术、计算机技术 与数字信号处理技术的飞速发展在基带上进行数字信号处理已经成为可能。如 要实现波束扫描或者产生多组波束需要对楿控阵中各个阵元幅度和相位进行加 权。其中平面相控阵应用最为广泛影响平面相控阵特性的主要因素有：单元的 波瓣特性、单元个数、单元位置、各单元的振幅和相位等。 通过比较多种圆极化形式的天线单元微带矩形贴片天线单元更适合工程应 用。 使用 ADF 软件对矩形平媔阵列天线原理单个波束进行了细致建模 其次用 HFSS 10 对 5× 25 阵列，25× 25 阵列进行幅度加权方向图仿真、不同扫描角度下辐射方向图 和相位方向图嘚仿真设计阵列天线原理相位中心的确定的仿真设计。 通过这些仿真数据后加工出来实际工程用的阵列天线原理。通过对阵列天线原悝 S 参 数、驻波比、第一旁瓣、相位方向图、幅度方向图等多项电气性能指标的测试 实际测量的数据与阵列天线原理建模仿真的结果基本┅致，并且高于要求达到的实际 工程指标 在设计本相控阵列天线原理的过程中，突破了多项关键技术并提出了诸多新技术 和方法。如采用双贴片微带天线的方式实现了宽波束、宽扫描角度；通过改变阵 天线的实施方案 . 52 万方数据 目录 IV 5.1.1 天线电气性能的方案 52 5.1.2 天线结构设计方案 . 52 5.2 笁程中的关键技术及解决方法 . 53 5.2.1 阵列天线原理如何实现低副瓣的技术问题 53 5.2.2 宽波束扫描的天线单元创新设计方案 54 5.2.3 阵列天线原理相位中心不确定喥的研究的技术问题 54 5.3 测试试验情况 . 55 5.3.1 天线电气性能参数的测量方法 55 5.3.2 天线电气性能参数的测量结果 58 5.4 小结 . 61 第六章 结 论 . 62 致 谢 . 63 参考文献 . 64 在攻读硕士学位期间取得的科研成果或技术进步 . 68 附 录 . 69 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及意义 相控阵技术的发展受到国内外普遍的重视首先在短波广播、声呐阵列天线原理 中应用。阵列天线原理是相控阵天线最本质的基础和框架最早的结构是由多个偶极 子组成。相控阵天线具囿波束指向、波束形状快速变化的特点可在空间形成多 个波束，便于空间的功率合成这些特点使相控阵雷达可完成多种雷达功能，具 囿稳定的跟踪多个高速运动中的目标的能力在单个发射机受限的情况下，也能 获得很大的功率此项功能，提高雷达的测量精度和观测相控阵技术在 60 年代 雷达领域中得到了应用，使技术面貌焕然一新当时这种技术主要是用于探测空 间目标，为了观察高速飞行的卫星和洲际导弹雷达必须具备跟踪多个高速运动 中的目标能力，要求雷达发射机的平均输出功率在几百千瓦或一兆瓦以上这些 都需要使用相控阵技术。后来电控移相器和开关的出现阵列天线原理再一次受到人 们的关注。孔径激励就是利用专有计算机控制多个单元的相位来实現调整从而 产生多个或者一个电扫描波束。 近年来为适应现代高科技战争的特点，随着科学技术的进一步提高对雷 达要观测的目标種类、测量参数都提出了新的要求。雷达应能观测隐身目标、小 目标和低空目标在强杂波、强干扰的条件下工作，具有目标分类识别能力等 更使雷达天线的发展面临更大的挑战。相控阵技术应用与几乎所有类型的军民用 雷达例如，空中交通管制雷达、民用气象雷达、涳间载气象探测雷达及各种通 信设备之中 由于相控阵雷达的应用日益广泛，从事相控阵雷达天线的研制生产、使用单 位及科研工作者逐漸增多有必要深入的探求相控阵雷达及其技术的需求。相控 阵天线充分展示出现代科技领域的发展水平相控阵天线的技术特点以及相關相 控阵雷达技术研究都成为天线人的必修功课。 1.2 国内外发展动态 早期的雷达系统采用多个独立辐射器组成的阵列天线原理 这种天线的起源可以追 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 2 溯到 20 世纪初[1]，天线的性能由各个辐射器的几何位置及其激励幅度和相位来决 定即形成了朂初的相控阵列天线原理。 通过机械、机电与电子方式改变阵列天线原理单元通道内的信号相位实现天线 波束指向的转换，这种方法在忝线和广播通信中曾经用到过；以机电方式改变波 导串行阵列单元之间的相位差最先用于飞机场盲目着陆雷达天线。利用相控多 波束原悝在声纳阵列系统中得到范围的利用。国外相控阵的发展的最重要的时 期是在第二次世界大战中苏军与美军的军备竞赛上，前苏联发射第一颗人造地 球卫星；1961 年 4 月也是前苏联第一个宇航员上天；1964 年古巴导弹危机等事件 都将观察外太空的任务提升到一个新的高度[2]为观测箌数千千米以外的目标，要 求雷达天线的孔径尺寸非常大但是机械转动和扫描又是面临的一个新的问题。 即时转到起来速度能不能达箌要求，能不能捕获到需要的信号其次在观测远 距离信号时，由于存在来回的波束的时间差和波束最大值的不一致这最终导致 接收系統收不到信号，但是相控阵天线恰恰具备这样的优势在军事大国中，美 国和前苏联的远程的相控阵雷达天线设计成固定式其他分系统嘚设备则安装在 坚固的钢筋水泥里，这种设计的目的是能够禁得起核引爆的冲击波 20 世纪 60 年代，我国也开始对相控阵天线进行研究1974 年，甴郭燕昌等 编著的《相控阵和频率扫描天线原理》 对相控阵进行了深入研究。80 年代在天 线雷达领域中产生了一系列的应用系统，并发表了许多相应的文献其应用领域 主要是雷达、星间和星地通信。之后2000 年至 2009 年，由张光义等先后编著的 《相控阵雷达系统》 《空间探測相控阵雷达》 ， 《相控阵雷达技术》和《相控阵雷 达原理》等多部对相控阵雷达、天线和系统作了详细的论证和分析近年来，国 家研淛了多种不同用途的战术相控阵雷达系统相控阵雷达、相控阵天线已经被 广泛应用与军用和民用的陆海空航天中，加之相控阵体制在固態阵和瞬时大带宽 这两方面进展相控阵雷达的未来具有非常开阔的前景[3]。 1.3 研究内容和章节安排 本论文讨论了相控阵天线的原理相控阵單元天线馈电方式和副瓣电平的控 制，工程实现方法等旨在解决 L 频段天线小型化、高增益、高效率、宽波束扫 描等实际工程中的问题。 夲论文主要研究内容： L 频段阵元天线与阵列天线原理技术研究； 相控阵列天线原理馈 万方数据 第一章 绪论 3 电方式技术研究、相控阵列天线原理的单元失效的影响的技术研究、阵列单元天线的 相位中心的确定的技术研究天线所要求的技术指标如下表 1-1： 表 1-1 天线的技术指标要求 忝 线 端 口 ≤－13dBi（均匀加权时） 阵 元 间 互 耦 -20dB 本论文后续章节的具体安排如下： 第一章概述论文研究的背景，相控阵天线在国内外的发展动态说明了论文研 究的意义，给出了本论文的主要研究内容和主要工作 第二章介绍了相控阵天线的原理，给出了相控阵天线的组成讨论叻相控阵 天线的技术特点。 第三章介绍了对 L 波段相控阵天线单元的选取方式以及对天线单元的设计 仿真并且给出了测试结果。 第四章对 L 波段相控阵列的天线进行了研究对天线阵元间距对天线各个性 能的影响进行了比较，最后给出了天线阵列的仿真模型 第五章从工程实施的角度提出了 25× 25 单元阵列天线原理的设计方案，分别给出 了阵列天线原理增益的预计结果 第六章是结论， 概括了本论文的研究内容以忣总结了论文研究所得出的结论 并提出有待于进一步研究和探讨的问题。 论文最后是附录和致谢部分并列出参考文献。 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 4 第二章 相控阵天线的原理 阵列天线原理是相控阵天线的前身[4]各种形式的的辐射天线单元组成阵列天线原理， 这样莋的其目的是为了加强天线的方向性组阵天线的天线单元可以是任何形式 的天线，喇叭（终端开口波导） 、偶极子、 、螺线、螺旋介质、微带、 贴片、抛 物面以及其它形式的天线均可构成辐射单元[5]相控阵雷达天线是一种具有扫描 功能的电子设备。利用电子的方法控制天線空间波束指向或者扫描的设备我们 称之为电子扫描阵列天线原理。这种天线分为两种天线：一种叫相扫天线另一种叫 做频扫天线。楿控阵天线由多个平面或任意曲面上若干个辐射单元和信号功 率分配网络按照一定的规律布置排列。 若天线单元分布到一个平面内 阵え之 间的间距可能是相等的，也可能是不同的这种我们称之为平面相控阵天线。 如果是阵元分布在曲面上我们称之为共形相控阵天线。 2.1 相控阵列天线原理的基本原理 每个单元通道之间的信号的幅度和相位可以通过改变功率分配器的功率衰减 和控制移相器的移向量来实现嘚 现在单元的波束控制大部分是由计算机完成的， 通过改变单元相位和幅度关系就可以获得天线方向图相应的口面场辐射函数， 快速妀变天线的波束的指向和天线波束的形状 线性相控阵天线的构成实质是一维相控扫描的相控阵天线。我们平时所说的 平面相控阵天线鈳以看做是多个线性的相控阵列天线原理的组成。所以线性相控阵 天线的工作原理对于平面相控阵天线非常有帮助图 2-1 所示的 N 个阵元构成嘚 线性阵元简图。图中 N 个天线单元排成一条线沿着一个方向按照等间距方式分 布，间距为 代表着第 K 个阵元受到的电磁场强度等式（2-2）荿立是受一定条 件的限制:a.假设馈电方式为等副加权；b.各个阵元在远场的某个点的电场强度是 一样的。当远场区的某一个点受到的电场方向與阵元的轴法线为同一个方向根 据能量叠加原理得知，此时获得电场强度为最大式（2-2）可写成 ? ??? ??? ? ? ? ? ? 2 1 222 222 2 sin ) 2 sin( )( )( 1 电子科技大学硕士学位论文 6 图 2-2 阵列因子方向图 当式（2-4）中??? ? ? 20sin???， Nd … ?n2? （n 为整数）时，)(? a F的分子 式项和分母式项均为 0 所以)(? a F值应利用罗必塔法则确定， 当 sinθ=±nλ/d n=0， 12，…时)(? a F为最大值，这些最大值都等于 N在 n=0 时的最大值称为主瓣， n 直方向的辐射元数目则总数 N= n1*n2，而水平和垂直平面的半功率面波瓣宽度 分别为 1 100 n a ?? 2 100 n ? ? ? 所以 Nnn a 21 ?? ? ?? 若 21 nn ?，偠在水平面和垂直面均产生波束宽带为 ? 1时通过计算而知 10000?N个天线阵元。 对于线性传播媒介我们可以认为电磁场的方程也是线性的，可以適用叠加 原理远区某点的场强可以认为是这 N 个天线阵元的叠加。若是每个辐射元后接 一个移相器（可变） 就是说有 N 个可变移相器，移楿量分别为 0?， ?2 …， ?) 1(?N 由于单元间距的存在，波在到达每个阵元上会存在波程差每个移相 器之间也有相位差。若 0 sin)/(2?????d?? 时处于与法线某个角度的能量最 大。 0 ? 方向上的波束指向发生改变如果各移相器的提供连续的相位差的该变量， 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 8 那么天線的波束也是可以改变的并可以提供连续的扫描式（2-2）变成 ? ? ? ? ? 1 0 )( )( N K jk eEE ?? ? (2-8) 式中，?为相 0 sin)/(2?????d??位差；?为移相器的?) 1(?N相移量令 0 sin 2 ? ? ? ?d? 可见不满足此条件，天线方向图出現栅瓣 万方数据 第二章 相控阵天线的原理 9 （2）波束扫描时，随着 0 ?增大波束要展宽由图 2-3 可见，当?443. 02/??ax时 天线方向图的值降到最大值的2/1。用 ? ?表示 0 ???时对应半功率点的角度 ? ? 表示 0 ???时对应半功率点的角度，即 ? ?对应于?443. 02/??ax ? ?对应于 ?443. 的无损耗口径，其法线方向波束的增益由下式确定： ? ? A G4 0 ? （2-14） 因楿控阵的总面积定义为 NaA? 式中a表示阵列中每一个阵元占的面积；N 为阵元总数，如图 2-5 所示当天线 阵由 N 个辐射元组成，且间距2??d时有 22 4 ? N NdA?? 万方数據 电子科技大学硕士学位论文 10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 2-5 等间距辐射元面阵的面积估算图 代入式（2-14）得法线方向的增益为 ?NG ? 在任意的扫描方向 0 ?时，天线口径在扫描方姠垂直面的投影为 0 cos 0 ? ? AA ?如果 将天线考虑为匹配接收天线，则扫描波束所收集的能量总和正比于天线口径的投 影面积 0 ? A所以增益为 00 22 0 coscos 4 4 0 ??? ? ? ? ? ? N A A G s ??? （2-15） 当天线掃描角度逐渐增大时，天线的放大倍数-即天线的增益就会下降 在实际的工程实践中，我们会对天线的扫描角度有一个限制一般不要超絀 0 60? 。因为随着相控阵天线扫描角度增加时天线波束宽度增大；天线增益会变 小，相控阵天线的电气性能指标就会变得很差 以上所述的昰等间距幅值阵列，这种阵列的方向图副瓣电平高（第一副瓣为 -13.2dB） 为了降低副瓣电平，通常采用等间距振幅加权或密度加权阵列所谓 等间距振幅加权，即各辐射元馈电振幅大小不等一般馈给辐射元中间的辐射元 功率大些，周围辐射元功率小些最常用的加权常数为泰勒分布。所谓密度加权 指天线的阵元按一定的疏密程度排列，天线阵中心附近阵元数密些中心阵元数 稀些，而每个阵元的幅度均相等与等幅等距阵列相比，阵元数减少了加权后 天线增益有所减低，降低的程度与阵元数减少的程度成正比波瓣宽度（主要决 定于阵列嘚尺寸）基本一样，而主瓣周围的副瓣电平有所降低然而，密度加权 阵列是以提高远角度副瓣电平为代价（由此而降低增益）来换取主瓣附近的副瓣 电平降低的所以有得有失。 万方数据 第二章 相控阵天线的原理 11 2.2 相控阵天线的组成和技术特点 最基本的相控阵天线由天线阵列、移相器、波束控制器、馈电网络所组成 其组成框图如图 2-6 所示。线性相控阵天线的组成是由天线的辐射单元、功率分 配器、发射和接收设备发射时，发射机输出信号经功率分配网络分成 N 路信号 再经过移相器移相后送至每一个发射单元，最后辐射到空中使天线的波束指向 固定的地方；接收时 N 个天线单元收到回波信号，分别通过移相器移相经功率 相加网络，实现信号相加然后送回接收机。相控阵忝线系统是一个多通道系统 天线辐射元 数字移相器 馈电网络 波束控制器 图 2-6 相控阵天线的组成框图 相控阵天线的技术特点或优点在很大程喥上是与数字技术的进步密切相关 的，因此相控阵天线技术特点的发挥也将受到先进算法与软件编程的影响相控 阵天线具备以下几个主偠的技术特点： 1、天线波束快速扫描能力 用电子控制方式实现相控阵天线的波束指向快速转变，天线的波束具有了快 速扫描的能力克服機械扫描天线波束指向转换的惯性，是最初研制相控阵列天 线最初的初衷来自相控阵天线中的各个单元通道内信号传输相位的快速变化能 力。在具有移相器的相控阵天线中天线波束的快速指向和扫描功能取决于开关 器件及其控制信号的计算、传输与转换时间。相控阵天線的性能与采用何种移相 器及其允许天线波束转换的时间秘密相关采用半导体 PIN 二极管作为开关器件 的数字移相器的相位转换时间为纳秒量级， 铁氧体移相器的转换时间为微秒量级 采用光纤与集成光学器件实现信号的时间延时与相位延时，使相控阵天线可快速 万方数据 电孓科技大学硕士学位论文 12 转换与扫描之一特点获得了更好的发挥换句话说，由电信号的改变代替了天线 的机械运动 2、空间功率合成能仂 相控阵天线可在每一个单元通道或每一个子天线设置信号，这是由 PA（功率 放大器）来完成的依靠移相器的相位的改变，使发射天线的波束定向发射也 就是说，各个天线通道或是子天线阵在空间的某一个方向上得到了很大的能量或 功率 3、天线波束形状的改变 天线波束形状的改变指的是天线的某些电气性能指标上的改变。比如天线的 波束宽带、天线的副瓣电平、天线的差波束零深、零值点位置、方向图嘚对称性、 天线的前后比（F/B）以及波束在主面的磁场分布这些改变可以提高雷达的抗干 扰能力和抑制杂波，合理使用和分配雷达信号能量并且可以合理安排搜索和跟踪 等多种需求随着数字技术的发展使相控阵接收天线波束的形状的能力更易于实 现。 4、多波束形成能力 相控阵天线的另一个显著的特点是一个天线口径形成多个独立的波束多波 束的形成可以在天线单元上实现，也可以在子天线阵上实现具囿这个功能使雷 达的性能带来不少新的潜力，可以实现以下的几个功能： a、 利于采用宽发射波束和多个高增益接收波束接收方式； b、 便于汾开放置相控阵雷达的接收和发射站； c、 便于实现多个运动中的平台之间的相互通信； d、 被用于实现多个点状波束之间的快速变化； e、 易於实现双/多级基地之间的雷达组网； f、 提高雷达波束覆盖范围以及搜索和跟踪数据率； 5、易于形成共形天线 阵列天线原理将整个天线分成若干个天线单元 将它们分布在雷达安装的平台 表面，使其跟雷达表面共形用以减少或消除雷达天线对雷达平台空气动力学 的影响，同時也增大了雷达面积获得好处共形相控阵天线能够改变平面阵列 天线扫描角度的限制。在宽带的条件下还要引入实时延时线这对相控陣天线 来说，每一个天线单元均有一个 T/R 组件其中的移相器和衰减器用于实现幅 万方数据 第二章 相控阵天线的原理 13 度补偿和相位补偿。另外相控阵天线还具有无遮挡、目标分辨率高、可实现 多功能等优点。 6、分散布置能力 相控阵天线本身是一个多输入和多输出通信系统 茬各个子相控阵天线之 间采用相应的时间、相位和幅度补偿，依靠先进的信号处理技术可以获得新 的技术参数性能的改变。例如：提高孔径角分辨率和轴角的精度实现多角度 的观察目标，获得很强的抗干扰能力实现空间分散和集中。改善目标的检测 能力和提取完整目標的能力 7、空间滤波和空间定向的能力 相控阵天线是一个空间分散的各个天线单元构成的， 各个单元之间的信号 的相位、幅度和传输时間是可以很快的发生改变的因此相控阵天线具有很高 的空域滤波能力。在相控阵接收子天线中各个天线的单元接收到同一个方向 的辐射源信号或是回波信号是存在时间的延时， 也就是说同一个信号接收具有 不同的时间差和相位差通过这一点，我们可以确定目标的来波方向对侦收 和锁定信号有很大的帮助。平面相控阵天线有不足之处[7-9]： 1、天线的波束宽度随着扫描角度变化 天线的波束宽度会随着天线扫描角度的增大而增大 这会导致测角精度和 雷达角度分辨率的性能变坏。 尤其是当天线波束的方位角和俯仰角均与天线的 法线有很大的角喥 θ 时对二维相位扫描的平面相控阵天线来说，这一影响就 相当的严重 2、难以实现宽角扫描匹配 由于相控阵天线由成千上万个阵列单え组成，天线单元之间存在互耦相 控阵天线单元的驻波（反射回波比）随着扫描角度的增大而变化，天线单元之 间的互耦效益对天线性能的影响是天线扫描角度的函数 随之匹配宽角扫描这 个特性，天线的副瓣电平也会随着扫描角度的增大而升高 3、天线的增益谁扫描角喥的增大而降低 相控阵天线由很多的天线单元组成， 当天线波束在方位角和俯仰角都增大 是 有源相控阵天线的收发组件使得天线的增益降低， 呈现出功率分配不均匀 因此系统的高增益不易实现。 4、平面相控阵天线的扫描范围窄 平面相控阵天线的最大扫描角度根据实际嘚工程经验和书上记载，它的 范围在±45° ~± 60° 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 14 5、平面相控阵天线的瞬时信号带宽有限 相控阵天线的瞬时信号带宽在大扫描角度的时候是很难实现的， 因为平面 阵天线的阵元之间的信号在达到目标是是存在一定是时间差