相控阵天线

  • 基本原理介绍
  • 相控阵天线方向图
  • 相控阵天线阵列的设计
  • 方向图仿真
  • 源代码
  • 仿真结果


基本原理介绍

       相控阵天线是组装在一起的天线阵元的集合，其中，每个单元的辐射图在结构上与相邻天线的辐射图合成形成称为主瓣的有效辐射图。主瓣在期望的方向辐射能量，而天线设计的目的是在不需要的方向上形成零点和旁瓣。

       天线阵列设计用于最大化主瓣辐射的能量，同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以通过改变馈入到每个天线单元的信号的相位来控制辐射方向。图1显示了如何调整每个天线中信号的相位，将有效波束控制在线性阵列目标方向上。结果是阵列中的每个天线具有独立的相位和幅度设置以形成期望的辐射方向图。

AiP架构 AIP架构相控阵天线_数字信号处理


        相控阵天线设计的另一个关键方面是天线阵元的间隔。一旦我们通过设定阵元数量确定了系统目标，物理阵列直径很大程度上取决于每个单元构件的大小限制，其要小于大约二分之一波长，因为这样可以防止栅瓣。栅瓣相当于在无用方向上辐射的能量。

相控阵天线方向图

       相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。
控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。
        用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。

相控阵天线阵列的设计

       相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由于单元方向图和阻抗的限制，通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥，加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描。
       若仅要求方向图最大值在空间移动(扫描)，只需要形成线性变化的相位分布。这时方向图的最大值方向垂直于等相位面。使用数字式移相器时，除了几个特殊角度以外，一般得不到精确的线性相位分布。这时在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣，其大小与具体的相位分布规律有关。为了满足特殊要求，则需要采用方向图综合法，事先算出所需的阵面相位分布。例如，可以将阵面分成若干个区域，把每一区域都看成独立的阵面来设计这个阵的方向图，这样就能在空间得到多个同时存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方向图变宽或形成余割平方形方向图。
        为了简化馈电结构，有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点，可采用密度加权，即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的，其分布密度按一定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，以改善辐射单元的阻抗特性。
       相控阵天线辐射单元的数量多,当失效单元数在5%以下时对天线阵性能的影响不大，因而可靠性较高。雷达中使用相控阵天线后，波束控制灵活性显著提高，故可制成多功能雷达，使一部雷达起几部常规雷达的作用。随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现，相控阵天线的成本正不断下降,体积越来越小,重量也在进一步减轻。

方向图仿真

        下面给出线阵方向图三种不同的生成办法：

源代码
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%        函数功能：得到8线阵的方向图
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
clc; 
clear all;
close all;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%               参数设置
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
c=3e8;       % 光速
f=500e6;     % 信号频率
lamda=c/f;   % 波长
d=lamda/2;   % 阵元间距
N=8;         % 阵元个数
theta0=0;    % 波束指向角度
bujing=0.1;
theta=-90:bujing:90;   % 扫描角取值范围
n = [0:1:N-1]'; % 列矢量


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%               权值计算
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
W = exp(1j*2*pi*f*n*d*sin(theta0*pi/180)/c); 



%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%               法1
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 for p=1:length(theta) % 扫描角取值范围    
     V = exp(1j*2*pi*f*n*d*sin(theta(p)*pi/180)/c);% 方向矢量
     B1(p) =W'*V;   % 阵元功率叠加    '表示共轭转置   .'表示转置      
end
F1=abs(B1);             % 取信号的模
F1=20*log10(F1/max(F1));% 归一化



%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%               法2
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
for p=1:length(theta) % 扫描角取值范围         
    B2(p) =sum(exp(1j*2*pi*f*n*d*(sin(theta(p)*pi/180)-sin(theta0*pi/180))/c));   
end
F2=abs(B2);% 取信号的模
F2=20*log10(F2/max(F2));


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%               法3
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 for p=1:length(theta)    % 扫描角取值范围 
   t(p)=pi/2*(sind(theta(p))-sind(theta0));
   B3(p) =sin(N*t(p))/sin(t(p));    
end
F3=abs(B3); %取信号的模
F3=20*log10(F3/max(F3));



figure(1)
plot(theta,F1,'-r*');hold on;
plot(theta,F2,'-g^');hold on;
plot(theta,F3,'-bo');grid on;
xlabel('角度/度');ylabel('方向图');
axis([-90 90 -50 0]);
legend('法一','法二','法三');
仿真结果

AiP架构 AIP架构相控阵天线_人工智能_02