目前,，相控陣天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、民用領(lǐng)域,，它通過改變陣元激勵信號的相位來改變天線方向圖波束指向,。天線的輻射能力可以用方向圖函數(shù)來描述，方向圖的取值與陣元間距有關(guān),，增大陣元間距即增加了天線孔徑長度,，可使天線波束變窄，提高天線分辨率,。但是對于固定的工作頻率和掃描角,若陣元間距過大,，陣列天線掃描時的輻射場，除主瓣以外在其他方向會因場強(qiáng)同相疊加形成強(qiáng)度與主瓣相仿的輻射瓣,，稱之為柵瓣,。柵瓣占據(jù)了輻射能量，使天線增益降低,。從柵瓣“看”到的目標(biāo)與主瓣“看”到的目標(biāo)易于混淆,，導(dǎo)致目標(biāo)位置模糊。干擾信號從柵瓣進(jìn)入接收機(jī)將影響通信系統(tǒng)的正常工作[1],。因此,，應(yīng)合理地選擇相控陣天線的陣元間距避免出現(xiàn)柵瓣。許多文章只注重對線陣柵瓣進(jìn)行分析[2-3],，而很少分析平面陣柵瓣問題,。本文對平面陣天線柵瓣性能進(jìn)行分析并通過仿真驗(yàn)證。

1 陣列天線方向圖函數(shù)模型

　　單個天線的方向性是有限的,，可以將若干個單元天線按一定方式排列組合形成天線陣列來加強(qiáng)天線的定向輻射能力,。平面陣天線陣元有不同的排列方式,，常見的陣型有矩形排列平面陣和三角形排列平面陣。無論哪種陣型,，其方向圖函數(shù)模型都是相同的,。

　　為簡化分析，本文做以下假設(shè)[4]：(1)所有陣元為均勻幅度加權(quán),，即信號到達(dá)不同陣元時沒有幅度變化,；(2) 陣元都是相同的全向天線且各陣元之間無互耦,；(3)所有入射信號均為遠(yuǎn)場信號，以平面波波前到達(dá)陣列,；(4)入射到陣列上的信號帶寬遠(yuǎn)小于信號載波頻率,。

　　一個陣元構(gòu)成的陣列如圖1所示。圖中為方位角,，取值范圍為0~2，為俯仰角,，取值范圍為0~0.5,。如果用矢量a表示信號來向，pl表示第l個陣元坐標(biāo),，則第l個陣元接收信號相對于原點(diǎn)陣元接收信號的時延為l=aTpl/c，其中,，c為光速[5],。

　　則第l個陣元接收信號相對于原點(diǎn)陣元接收信號的相位差為l=kTpl，此時信號方向矢量為方位角和俯仰角的函數(shù),，可表示為：

　　在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的相控陣加權(quán)中,，權(quán)矢量等于期望信號的方向矢量：

　　其中，0和?0分別為天線波束最大指向的俯仰角與方位角,。

　　根據(jù)陣列天線方向圖乘積定理,，方向圖等于陣元因子pE與陣元因子pA二者的乘積，即[6]:

　　因陣元都是相同的全向天線,，所以場強(qiáng)方向圖為：

　　式中,，符號‖‖為模值。

2 平面陣列天線柵瓣性能分析

　　2.1 矩形排列平面陣

　　等間距矩形陣天線示意圖如圖2所示,，一個共有M×N個天線單元的天線陣列位于xoy平面上,，天線單元沿x和y方向的間距分別為dx和dy。

　　為簡化分析本文做以下代換：

　　根據(jù)式(5)得知矩形排列平面陣的權(quán)矢量為:

　　令

　　Tx=tx-tx0, Ty=ty-ty0

　　因不考慮幅度加權(quán),，則根據(jù)式(7)可得矩形陣天線的方向圖函數(shù)[7-9]:

　　由上式可知,，矩形陣天線方向圖可以看成兩個線陣天線方向圖的乘積，矩形陣天線方向圖要取得最大值必須滿足以下條件:

　　式中p和q為整數(shù),。

　　由式(10)可得在球坐標(biāo)系(?茲,?漬)中的主瓣,、柵瓣位置滿足以下公式：

　　2.2 三角形排列平面陣

　　三角形排列平面陣可以看成兩個矩形陣交錯排列之和[10],，如圖3所示。天線陣列位于xoy平面上,，為了便于區(qū)分,，兩個矩形陣列的陣元分別用黑色圓點(diǎn)和黑色正方形表示。兩矩形陣沿x和y方向的間距分別為2dx和2dy,，亦即相鄰兩陣元之間沿x方向的距離為dx,，沿y方向的距離為dy。若dx=dy,，則三角形為等腰直角三角形,；若dy=dx，則三角形為等邊三角形,。

　　由于這兩個矩形陣的參考點(diǎn)在x軸方向與y軸方向的位置偏差分別為dx和dy,，故整個陣列的方向圖函數(shù)可表示為:

　　因此，三角形排列平面陣的方向圖取最大值取決于以下兩個條件：

　　(1) 滿足式

　　式中p和q為整數(shù),。

　　(2) 滿足p+q=偶數(shù),。

　　若p+q=奇數(shù)，則由式(14)可知綜合因子方向圖B1等于0,，根據(jù)式(13)由方向圖乘積定理可得整個三角形陣列的方向圖函數(shù)B也等于0,，不會出現(xiàn)最大值。若p+q=偶數(shù),，綜合因子方向圖B1)取最大值,，則整個三角形陣列的方向圖函數(shù)將取最大值。

　　由以上分析可知,，在球坐標(biāo)系中的主瓣,、柵瓣位置滿足公式:

　　當(dāng)可知T平面上的點(diǎn)恰好就是球坐標(biāo)系中單位球面上的點(diǎn)在T平面上的投影。因‖T‖=|sin|,在T平面單位圓以內(nèi)的區(qū)域滿足‖T‖=|sin|≤1,，即對應(yīng)球坐標(biāo)系,，此時波束位于可見區(qū)，稱為實(shí)空間,。單位圓以外的區(qū)域稱為虛空間,，即不可見區(qū)。對于相控陣天線要求實(shí)空間內(nèi)方向圖只有一個最大值,，即主瓣,。相控陣天線波束處于掃描狀態(tài)時，在T平面上表現(xiàn)為主瓣從原點(diǎn)到T0點(diǎn)的平移,，且所有的柵瓣亦做相同的平移,。

　　利用方向余弦平面Tx-Ty來描述天線柵瓣特性，則三角形排列平面陣天線柵瓣在Tx-Ty平面上的位置及其移動如圖4所示,。從圖中可看出波束掃描時要想在可見,要使空間不出現(xiàn)柵瓣,須滿足Tx-Ty平面上柵瓣與主瓣間的最小距離大于1+sin0[11]。

　　對于等腰直角三角形陣列,，不出現(xiàn)柵瓣的條件為:

3 仿真結(jié)果及分析

　　3.1 矩形排列平面陣

　　出現(xiàn)多個柵瓣,，柵瓣位置也可由式(11)驗(yàn)證。綜合圖5,、圖6和圖7可知隨著陣元間距的增大,，天線波束逐漸變窄，柵瓣個數(shù)增加,。

　　3.2 三角形排列平面陣

　　以等腰直角三角形為例,，設(shè)定天線波束最大指向角為0=0、0=0,，天線陣元數(shù)為18,，根據(jù)式(19)得出等腰直角三角形排列平面陣不出現(xiàn)柵瓣的條件為dx<0.707、dy<0.707,。首先,，圖8顯示時天線波束沒有柵瓣；其次,，由式(18)可計算出dx,dy=0.707時柵瓣的位置：時天線波束出現(xiàn)多個柵瓣,，柵瓣位置也可由式(18)驗(yàn)證。綜合圖8,、圖9和圖10可知,，隨著陣元間距的增大，天線波束逐漸變窄,，柵瓣個數(shù)增加,。

　　本文根據(jù)相控陣天線原理推導(dǎo)出平面陣列天線方向圖出現(xiàn)柵瓣的位置與波長、陣元間距d以及波束指向(0,0)的數(shù)學(xué)關(guān)系以及不出現(xiàn)柵瓣的陣元間距的取值范圍,，然后運(yùn)用MATLAB仿真進(jìn)行驗(yàn)證,。仿真結(jié)果表明，當(dāng)工作頻率以及波束指向確定之后,，只要調(diào)整陣元間距使其在不出現(xiàn)柵瓣的取值范圍內(nèi),，就可有效避免天線方向圖出現(xiàn)柵瓣。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性,，對工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,。

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