【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(tài)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(tài)方向圖 431751.1.3均勻線陣靜態(tài)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(guī)律排列構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(guī)律排列的基陣陣元的信號都加上適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，從而獲得陣列的波束偏轉(zhuǎn)，在不同方位上同時(shí)進(jìn)行相位延時(shí)，就可以獲得多個(gè)波束。采用傳統(tǒng)的機(jī)械方法旋轉(zhuǎn)天線時(shí)，速度慢且慣性大，不能夠準(zhǔn)確的獲得所需相位，相控陣天線不必采用機(jī)械轉(zhuǎn)動，就可以在所要觀察的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束的掃描，整個(gè)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(yōu)點(diǎn)。【相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)】(1)可以對天線的波束進(jìn)行快速掃描，相控陣天線采用移相器來實(shí)現(xiàn)波束掃描，掃描所需時(shí)間短，無慣性。采用鐵氧體移相器的波束轉(zhuǎn)換時(shí)間為3-100微秒，采用半導(dǎo)體二極管移相器的波束轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾個(gè)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(quán)法實(shí)現(xiàn)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(lián)合加權(quán)的方法實(shí)現(xiàn)波束形狀的迅速改變。(3)具有多波束形成的能力，依靠相應(yīng)轉(zhuǎn)換波束控制信號可以很方便地在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)形成多個(gè)指向不同地發(fā)射波束和接收波束。(4)具有多目標(biāo)搜索、識別和跟蹤能力，相控陣天線可以迅速的實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)主波束，并且指向不同的方向，每個(gè)主波束都能夠鎖定一個(gè)目標(biāo)。(5)具有高的容差性，相控陣天線是由許多陣列單元構(gòu)成的，在工作時(shí)，如果有部分天線出現(xiàn)故障，也不會對整個(gè)天線造成嚴(yán)重影響。第三章主要介紹了靜態(tài)波束形成原理和相控陣波束掃描原理。在靜態(tài)波束形成方面，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，繪制出了波束指向時(shí)的均勻線陣歸一化方向圖，并采用控制變量法考察陣元數(shù)、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(jìn)行仿真，繪制出了波束指向、、、、的均勻線陣歸一化方向圖，實(shí)現(xiàn)了相控陣的波束掃描，然后采用控制變量法考察陣元數(shù)、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(tài)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(shè)有個(gè)陣元，相鄰陣元之間的距離為，由個(gè)陣元構(gòu)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(shè)遠(yuǎn)場信號為，若以圖2.1中陣元1作為參考點(diǎn)，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(chǎn)生的相位差，對應(yīng)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(dǎo)向矢量，。通過將各陣元的輸出進(jìn)行加權(quán)求和，在一時(shí)間內(nèi)將天線波束“導(dǎo)向”到一個(gè)方向上，對期望信號得到最大輸出功率的導(dǎo)向位置給出波達(dá)方向估計(jì)[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(dāng)波束形成指向時(shí)，，陣列的方向圖可以表示為(3-7)對(3-7)式進(jìn)行化簡得均勻線陣的方向圖函數(shù)(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(shí)常用歸一化方向圖函數(shù)，即在最大輻射方向上方向函數(shù)的值等于1。歸一化方向圖函數(shù)可以表示為(3-9)其中，為方向圖函數(shù)的最大值。1.1.2均勻線陣的靜態(tài)方向圖靜態(tài)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(dāng)時(shí)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(tài)方向圖。圖1.2是利用Matlab軟件進(jìn)行仿真繪制出的陣元數(shù)為8、陣元間距，波長為0.03的均勻線陣歸一化靜態(tài)方向圖。圖1.2均勻線陣歸一化靜態(tài)方向圖如圖1.2所示的8陣元均勻線陣歸一化靜態(tài)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(tài)方向圖性能分析在1.1.2的基礎(chǔ)上，采用控制變量法考察陣元數(shù)、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(shù)依次設(shè)置為8、16、32，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真得到圖1.3；接下來，保證陣元數(shù)和波長不變，令陣元數(shù)為16，波長為0.03，將陣元間距依次設(shè)置為、、，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真得到圖1.4；最后，保證陣元數(shù)和陣元間距不變，令陣元數(shù)為16，陣元間距為0.08，將波長依次設(shè)置為0.02、0.03、0.04，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真得到圖1.5。圖1.3均勻線陣靜態(tài)方向圖與陣元數(shù)的關(guān)系表格1.1圖1.3所示的均勻線陣靜態(tài)方向圖的基本參數(shù)m=8m=16m=32主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.351.17-12.80-11.15-11.23結(jié)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(shù)的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩(wěn)定在-13dB左右。圖1.4均勻線陣靜態(tài)方向圖與陣元間距的關(guān)系表格1.2圖1.4所示的均勻線陣靜態(tài)方向圖的基本參數(shù)主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15結(jié)合圖1.4和表1.2可以看出：在陣元數(shù)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(wěn)定在-13dB左右。圖1.5均勻線陣靜態(tài)方向圖與波長的關(guān)系表格1.3圖1.5所示的均勻線陣靜態(tài)方向圖的基本參數(shù)主瓣寬度()副瓣電平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15結(jié)合圖1.5和表1.3可以看出：在陣元數(shù)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(wěn)定在-13dB左右。綜上所述：陣元數(shù)、陣元間距與主瓣寬度成反比關(guān)系，波長與主瓣寬度成正比關(guān)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(shù)(3-8)式可知：當(dāng)陣列數(shù)足夠大時(shí)，比較小，故，將(3-8)式繼續(xù)化簡得到線陣的幅度方向圖函數(shù)(3-9)當(dāng)時(shí)，有最大值。當(dāng)波束指向發(fā)生變化時(shí)，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(shí)現(xiàn)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(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)相控陣波束掃描，圖1.6是陣元數(shù)為8，工作頻率為，陣元間距為，將波束指向依次設(shè)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(fā)生改變時(shí)，各個(gè)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(gè)陣列方向圖的理想配相陣元序數(shù)12345678波束指向時(shí)理想配相/()0-115.70-231.40-347.11-102.81-218.51-334.21-89.91陣元序數(shù)12345678波束指向時(shí)理想配相/()0-61.56-121.13-184.69-246.25-307.82-9.38-70.95陣元序數(shù)12345678波束指向時(shí)理想配相/()00000000陣元序數(shù)12345678波束指向時(shí)理想配相/()061.56121.13184.69246.25307.829.3870.95陣元序數(shù)12345678波束指向時(shí)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(chǔ)上，利用控制變量法考察當(dāng)波束指向、時(shí)，陣元數(shù)、陣元間距、波長對均勻線陣性能的影響。(1)當(dāng)陣元間距為、波長為0.03、波束指向分別為、時(shí)，將陣元數(shù)依次設(shè)置為8、16、32，利用Matlab軟件進(jìn)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(shí)，均勻線陣方向圖與陣元數(shù)的關(guān)系圖1.7(b)波束指向時(shí)，均勻線陣方向圖與陣元數(shù)的關(guān)系表格1.5圖1.7所示的均勻線陣方向圖的基本參數(shù)波束指向時(shí)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(shí)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(dāng)波束指向、時(shí)，隨著陣元數(shù)的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩(wěn)定在-13dB左右。(2)當(dāng)陣元數(shù)為16、波長為0.03、波束指向分別為、時(shí)，將陣元間距依次設(shè)置為、、，利用Matlab軟件進(jìn)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(shí)，均勻線陣方向圖與陣元間距的關(guān)系圖1.8(b)波束指向時(shí)，均勻線陣方向圖與陣元間距的關(guān)系表格1.6圖1.8所示均勻線陣方向圖的基本參數(shù)波束指向時(shí)主瓣寬度()副瓣電平(dB)12.726.354.23-11.15-11.15-11.15波束指向時(shí)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(dāng)波束指向、時(shí)，隨著陣元間距的增大，主瓣寬度變窄，副瓣電平穩(wěn)定在-13dB左右。(3)當(dāng)陣元數(shù)為16、陣元間距為0.08、波束指向分別為、時(shí)，將波長依次設(shè)置為0.02、0.03、0.04，利用Matlab軟件進(jìn)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(shí)，均勻線陣方向圖與波長的關(guān)系圖1.9(b)波束指向時(shí)，均勻線陣方向圖與波長的關(guān)系表格1.7圖1.9所示均勻線陣方向圖的基本參數(shù)波束指向時(shí)主瓣寬度()副瓣電平(dB)7.9411.9215.91-11.15-11.15-11.15波束