兩級衰減對相控陣天線副瓣影響研究

王建 鐘春斌 林志成

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051 2.西安電子科技大學(xué) 陜西省西安市 710071）

有源相控陣天線是通過控制各天線單元通道中的衰減器和移相器來改變天線饋電電流的幅度和相位，達(dá)到波束掃描的目的，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等軍事和民用產(chǎn)品中。隨著科技的發(fā)展，有源相控陣天線開始往高頻發(fā)展，這要求天線TR 的集成度越來越高，許多科研團隊開始了對瓦式相控陣天線的關(guān)注和研究。

AIP 天線是實現(xiàn)瓦式相控陣的天線形式之一，把TR做成芯片封裝在管殼內(nèi)，天線印刷在管殼表面。但是這種形式的天線對TR 集成要求很高，尤其是對于砷化鎵芯片來說，本文設(shè)計的相控陣天線每個天線下面有四個通道，如果幅相芯片的高位衰減器和低位衰減器封裝在每個TR 通道內(nèi)（即實現(xiàn)所有單元的任意幅度可調(diào)），芯片的尺寸將會大于天線的尺寸，這種TR 將不能用于組陣。為了優(yōu)化TR 芯片尺寸，將各個通道內(nèi)的高位衰減器剔除，并在波束合成口處添加高位衰減器，達(dá)到共用高位衰減器的目的，這種方法能使幅相芯片內(nèi)的衰減器減少12 個，大大優(yōu)化了TR 芯片的尺寸。

優(yōu)化后的TR 芯片可以用于有源相控陣天線組陣，共用高位衰減器會使通道內(nèi)各個天線的衰減可調(diào)范圍受到影響，通過仿真發(fā)現(xiàn)這種影響對天線波束賦形幾乎沒有影響，變化前后的副瓣電平幾乎是相等的，變化范圍小于1dB。為了提升通道衰減范圍的調(diào)整能力，將原芯片低位衰減器的權(quán)值從0.5、1、2 調(diào)整為1、2 和4，單位是dB，仿真結(jié)果顯示此改變對波束性能影響很小。考慮到通道增益的不穩(wěn)定性，仿真顯示幅度誤差使副瓣惡化小于0.5dB，在工程可接受范圍內(nèi)。

1 24×24相控陣賦形

4 陣元4 波束接收幅相多功能芯片把高位和低位數(shù)字衰減器都安裝到每一個TR 通道內(nèi)，其中高位衰減器的衰減位分別是4dB、8dB、8dB，低位衰減器的衰減位分別是0.5dB、1dB、2dB，則衰減器組合的可調(diào)范圍是0dB～23.5dB，可調(diào)步進為0.5dB，每個通道的衰減都是任意可調(diào)的，對24*24陣元（576）矩形規(guī)則密陣排布方案進行副瓣抑制度分析，天線陣列的方向圖函數(shù)為：

其中：f(θ,φ)表示單元場；(θ,φ)表示波束指向角。副瓣按-30dB 進行加權(quán)，其加權(quán)（切比雪夫or 泰勒）分布如圖1 所示，陣列中間饋電幅度大，外圍饋電幅度小，即中間衰減小，外圍單元衰減大。法向掃描增益結(jié)果如圖2 所示，其副瓣電平是-30.47dB，和設(shè)計的副瓣基本一致。

圖1： 加權(quán)分布

圖2： 掃描增益方向圖

2 共用高位衰減器賦形

4 陣元4 波束接收幅相多功能芯片（共用高位衰減器）的原理圖如圖3 所示，共用高位衰減器位于波束合成口處，其衰減位分別是4dB、8dB、8dB，低位衰減器的衰減位分別是0.5dB、1dB、2dB，把這種改變定義為第二種情況，而上一小節(jié)介紹的全范圍衰減可調(diào)記為第一種情況。

圖3： 4 元4 波束接收幅相多功能芯片原理圖

第二種情況陣列單元的加權(quán)分布如圖4 所示，法向掃描增益結(jié)果如圖5 所示，其副瓣分別是-30.71dB，結(jié)果和第一種情況基本一致。

圖4： 加權(quán)分布

圖5： 掃描增益方向圖

3 衰減位調(diào)整共用高位衰減器賦形

若進一步優(yōu)化芯片衰減位，提升通道衰減范圍的調(diào)整能力，防止通道間出現(xiàn)大于1dB 波動的情況，且不想改變通道內(nèi)3bit 架構(gòu)，芯片可將通道內(nèi)衰減位（低位衰減器）調(diào)整為1+2+4 的組合，即可以實現(xiàn)1～27dB 的衰減范圍，衰減步進為1dB，將這種情況記為第三種情況。

第三種情況陣列的加權(quán)分布如圖6 所示，法向掃描增益結(jié)果如圖7 所示，其副瓣是-29.76dB，結(jié)果和第一種情況變化不是很大，副瓣略有提高。情況三相比情況一，法向旁瓣抬升0.7dB，較第二種情況副瓣抬升0.95dB，可認(rèn)為是工程上可接受的水平。

圖6： 加權(quán)分布

圖7： 掃描增益方向圖

4 幅度誤差對波束性能的影響

實際上每個通道的增益是有波動的，不是一個定值，考慮增益波動對波束性能的影響，前面第一和第二種情況的衰減最小位是0.5dB，即其誤差可認(rèn)為是±0.25dB，第三種情況衰減最小位是1dB，則其誤差為±0.5dB。

第一種情況下增益誤差為±0.25dB，其對波束掃描的影響如圖8，結(jié)果顯示此誤差對波束性能幾乎沒有影響，副瓣幾乎不變。

圖8： 第一種情況下增益誤差對波束性能的影響

第二種情況中共用高位衰減器，通道內(nèi)增益誤差還是±0.25dB，此誤差對波束性能的影響如圖9 所示，結(jié)果顯示誤差對波束性能幾乎沒有影響。

圖9： 第二種情況下增益誤差對波束性能的影響

情況三中的通道內(nèi)低位衰減器最小值為1dB，其增益誤差為±0.5dB，此誤差對波束性能的影響如圖10 所示，結(jié)果顯示此誤差對波束性能有一定的影響，對主波束幾乎沒有影響，副瓣有小范圍的抬高，其抬高的幅度小于0.5dB，在工程的可接受范圍之內(nèi)。

圖10： 第三種情況下增益誤差對波束性能的影響

5 結(jié)束語

本文研究主要分析了數(shù)字衰減器衰減位對有源相控陣天線副瓣的影響。通過共用高位衰減器的方法減少TR 芯片尺寸；為了提升通道衰減范圍的調(diào)整能力，將低位衰減器的衰減值從0.5、1、2 調(diào)整為1、2 和4，單位是dB。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)以上兩種優(yōu)化對相控陣天線副瓣影響不大。最后分析了通道增益波動對波束性能的影響，結(jié)果表明增益誤差對波束性能的影響在工程可接受范圍內(nèi)，證明對芯片數(shù)字衰減器的優(yōu)化方案是可行的。