基于陣元擴(kuò)展法的陣列天線方向圖研究

向 前, 張?zhí)m超, 毛曉軍, 姜 弢

(1.海軍駐武漢第七○一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于陣元擴(kuò)展法的陣列天線方向圖研究

向 前1, 張?zhí)m超2, 毛曉軍2, 姜 弢2

(1.海軍駐武漢第七○一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

提出一種分析陣列天線輻射方向圖的陣列擴(kuò)展方法。該方法在計(jì)算陣列天線輻射方向圖時(shí)，只計(jì)入較鄰近單元的互耦效應(yīng)，忽略較遠(yuǎn)單元之間的互耦，從而簡化了計(jì)算方法、加快了計(jì)算速度。以Vivaldi陣列天線為例，應(yīng)用陣元擴(kuò)展方法對其輻射方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合，主瓣完全一致，副瓣基本一致。該陣元擴(kuò)展方法可以應(yīng)用在陣列天線輻射預(yù)測與仿真工作中。

陣元擴(kuò)展方法；陣列天線；輻射方向圖；Vivaldi天線

0 引 言

由于陣元之間存在互耦，基于經(jīng)典法的輻射方向圖乘積方法計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況之間存在較大差異，導(dǎo)致大型陣列天線輻射的方向圖的分析和綜合成為一個技術(shù)難題[1-3]。常規(guī)解決思路是應(yīng)用全波仿真方法，但是對于大型陣列天線，由于實(shí)際工程中的陣元數(shù)目巨大，受到集群計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的制約，該方法較難實(shí)現(xiàn)。因而尋找一種簡捷而精確的大型陣列輻射圖的計(jì)算方法顯得尤為重要。

目前提出的單元激勵方向圖方法(或稱為“本征激勵方向圖方法”)[4-5]，由其基本原理可見，陣中單元的單元激勵方向圖是該單元接內(nèi)阻為匹配阻抗的單位電壓源，其他單元端接匹配負(fù)載時(shí)整個陣列的方向圖，所以單元激勵方向圖仍然是整個陣列的方向圖，只是只有一個單元被激勵而已。然而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單元組成的大型陣列天線，如果采用數(shù)值方法計(jì)算單元激勵方向圖，則計(jì)算量將很大，憑借一般計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源和能力不可能在較短時(shí)間內(nèi)完成如此大的計(jì)算量。

單元激勵方向圖方法計(jì)入了陣列中所有單元之間的互耦，而通過分析可以發(fā)現(xiàn)對于某一陣中單元而言，只有在它附近的單元對其互耦效應(yīng)較大，距離較遠(yuǎn)單元互耦對其影響很小，甚至可以忽略。為了在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源情況下，對由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天線單元組成的陣列的計(jì)入互耦的方向圖進(jìn)行分析計(jì)算，本文將單元激勵方向圖方法進(jìn)行改進(jìn)，得到了近似的單元激勵方向圖方法，稱之為陣元擴(kuò)展方法。這種方法在計(jì)算陣中單元的單元激勵方向圖時(shí)，該單元接內(nèi)阻為匹配阻抗的單位電壓源，同時(shí)只留下了離該單元較近的單元并端接匹配負(fù)載，而將其它單元徹底去掉，忽略了較遠(yuǎn)單元之間的互耦，從而大大減小了計(jì)算量。

文中應(yīng)用陣元擴(kuò)展方法，對包含144個陣元的Vivaldi陣列天線的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算，并且參考荷蘭科學(xué)技術(shù)學(xué)會的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比，證明了陣元擴(kuò)展方法的正確性和可行性。

1 陣列天線的設(shè)計(jì)

Vivaldi天線是P.J.Gibson于1979年提出的一種非周期、漸變、端射行波天線[6]，之后，很多人對其結(jié)構(gòu)、饋電、輻射特性等都進(jìn)行了進(jìn)一步的研究[7-9]。

該天線具有天線副瓣低、波束寬度可調(diào)、高效率、高增益、寬頻帶等特性，在實(shí)際的陣列天線中得到了廣泛的應(yīng)用，并且該天線為微帶結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等特點(diǎn)，因此選用Vivaldi陣列天線作為研究對象[10-11]。

通過理論計(jì)算以及仿真分析，設(shè)計(jì)出適用于S波段的微帶線-槽線饋電結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，建模模型如圖2所示。

以該Vivadli天線作為陣元，組建了一個144陣元的陣列天線，圖3為144個陣元排列示意圖。在Vivaldi陣列天線中，每一個縱列或者每一行的陣元間距是3.02 cm，研究的頻率取為5 GHz，亦即半波長，很明顯，該平面陣跟一般的平面陣是不同的，它由2個相互垂直的平面陣組成，其陣元數(shù)目為8×9×2個，即144個。

圖1 Vivaldi天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of Vivaldi antenna element

圖2 單個Vivaldi天線單元的建模模型示意圖Fig.2 Schematic model of single Vivaldi antenna element

圖3 陣元排列示意圖Fig.3 Schematic arrangement of array elements

2 仿真結(jié)果及驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證陣元擴(kuò)展方法的正確性，本文在不同激勵情況下，對Vivaldi陣列天線的輻射方向圖進(jìn)行了仿真計(jì)算，并將仿真數(shù)據(jù)與荷蘭科學(xué)技術(shù)協(xié)會的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

1)在144個陣元中，只激勵中心一個單元，其他單元接匹配負(fù)載，激勵陣元示意圖如圖4所示，仿真結(jié)果I與測試結(jié)果I如圖5所示。

圖4 激勵中心陣元示意圖Fig.4 Schematic of excitation center elements

圖5 仿真結(jié)果I與測試結(jié)果I對比Fig.5 Comparation between simulation I and test I

2)在144個陣元中，等幅同相激勵28，30，44，46四個單元，其他單元接匹配負(fù)載，激勵陣元示意圖如圖6所示，仿真結(jié)果II與測試結(jié)果II如圖7所示。

圖6 激勵28，30，44，46陣元示意圖Fig.6 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

圖7 仿真結(jié)果II與測試結(jié)果II對比Fig.7 Comparation between simulation IIand test II

3)在144個陣元中，等幅同相激勵29，36，45，38四個單元，其他單元接匹配負(fù)載，激勵陣元示意圖如圖8所示，仿真結(jié)果III與測試結(jié)果III如圖9所示。

圖8 激勵29，36，45，38陣元示意圖Fig.8 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

圖9 仿真結(jié)果III與測試結(jié)果III對比Fig.9 Comparation between simulation III and test III

由以上仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比可看出，應(yīng)用本文所提出的陣元擴(kuò)展方法仿真得到的方向圖與測試數(shù)據(jù)的吻合度非常理想，其中有72%的數(shù)據(jù)誤差控制在5 dB以內(nèi)，并且在主瓣部分，仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本相同。這說明，文中所提出的陣元擴(kuò)展方法正確可行，并且誤差控制在較小的范圍內(nèi)。

圖10給出了對114個陣元全部等幅同相激勵時(shí)，Vivaldi陣列天線的三維方向圖。

圖10 陣列天線三維方向圖Fig.10 Three dimensional pattern of the array antenna

4 結(jié) 語

為了更加簡便地、快速地、準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型陣列天線的輻射方向圖，提出了陣元擴(kuò)展方法。該方法是與單元激勵方向圖方法近似的一種方法，這2種方法都考慮了陣列天線中各單元之間的耦合，但不同的是，單元激勵方向圖方法同時(shí)將較近和較遠(yuǎn)單元的耦合效應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，而陣元擴(kuò)展方法忽略了較遠(yuǎn)單元的耦合效應(yīng)。因此陣元擴(kuò)展方法簡化了計(jì)算過程，加快了計(jì)算速度。

為了驗(yàn)證陣元擴(kuò)展方法的正確性，使用六臺揚(yáng)天M4680M計(jì)算機(jī)并行計(jì)算144陣元的Vivaldi天線陣列的輻射方向圖，并將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。通過對比結(jié)果可知，有72%的數(shù)據(jù)在5 dB誤差以內(nèi)，且主瓣區(qū)域完全重合，證實(shí)了仿真方法的正確性。并且仿真時(shí)間僅有6 h，相比于其它仿真手段，大幅度的提高了仿真效率，突破了大型寬帶陣列天線的仿真時(shí)間過長的問題。因此，陣元擴(kuò)展方法是正確可行的，能夠在陣列天線輻射方向圖問題中發(fā)揮重要作用。

但是，從對比結(jié)果中還可以看出，隨著角度偏離法線方向，誤差呈增大趨勢，如何更好的減小誤差，增加陣元擴(kuò)展方法的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)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] 卜安濤,史小衛(wèi).天線方向圖綜合中的本征激勵方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004(2):243-247.

[5] 張志軍,馮正和.基于去耦分析的圓形陣列方向圖綜合[J].電子學(xué)報(bào),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] 許唐紅, 張弘, 王東, 等.高增益寬帶圓極化Vivaldi天線陣的設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束,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] 陳騰.Vivaldi天線及其陣列的隱身設(shè)計(jì)[D].南京; 南京航空航天大學(xué),2012.

[11] 劉聰.X波段Vivaldi陣列天線單元及互耦研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),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，工程師，主要從事艦船總體電子武備專業(yè)。

TN820

A

1672-7649(2015)10-0111-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.023