平面相控阵天线最佳阵面倾角和最大单元间距的确定�邵江达(天线与微波技术国防科技重点实验室南京210013)【摘要】单元间距是相控阵天线设计的一个基本参数,合理选择单元间距可以防止栅瓣进入实空间。另外,选择最佳阵面倾角,可以使不出现栅瓣的单元间距选择到最大。最佳阵面倾角的设计方法有两种:第一种是使阵列波束的最大扫描角最小;第二种是使阵列可选择的单元间距选择得最大,从而使覆盖整个阵列的单元数最少。本文在单元矩形栅格排列和三角形栅格排列的条件下,研究了平面相控阵列的最佳阵面倾角和可选择的最大单元间距,编制了通用计算软件,这对实际工程设计具有实用价值。【关键词】相控阵天线,阵面倾角,单元间距OptimalArrayFaceTiltandMaximumElementSpacingforPlanarPhasedArrayAntennasShaoJiangda(NationalLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,NRIETNanjing210013)【Abstract】Thetechniquefordeterminingtheoptimalarrayfacetiltandmaximumelementspacingispresented.Theselectionofelementspacingisimportantforplanarphasedarrayantenna.Theoptimalarrayfacetiltmaximizestheelementspacingandavoidsthegratinglobescaningintotherealspace.Therearetwomethodstodeterminetheoptimalarrayfacetilt,eithertominimizethemaximumoff-axisscanangleortominimizethetotalnumberofarrayelements.Thesoftwareconsidingtherectangularandtriangulargridarrayisproduced.Thetechniqueisusefulandpracti-cal.【Keywords】phasedarrayantenna,arrayfacetilt,elementspacing1引言单元间距是相控阵天线设计的一个基本参数,合理选择单元间距可以防止栅瓣进入实空间。另外,选择最佳阵面倾角,可以使不出现栅瓣的单元间距选择到最大。相控阵天线的波束宽度同主波束偏离阵面法向的扫描角余弦成反比,主波束偏离阵面法向的扫描角越大,则增益下降越大〔2〕。所以,减少扫描增益下降,使最大扫描角最小,是阵面最佳倾角设计的方法之一。阵列单元数目直接决定着相控阵天线的造价。选择单元最大间距可使阵列单元数最少。阵面内设置的天线单元数越少,同天线单元直接相连的组件数可相应减少,馈电网络的端口数也1997年2月现代雷达第1期�本文1996年10月25日收到。减少,阵列天线的成本可以降低〔3〕。本文基于上述两种方法分别设计阵面的最佳倾角,确定单元的最大间距。2扫描空域的变换总体设计师通常在大地坐标系中给出相控阵天线的扫描空域战术指标,即波束的方位和俯仰扫描范围,而天线设计师习惯于在阵面坐标中研究天线的扫描特性。研究阵列单元的最大间距,就是研究相控阵天线的栅瓣结构,当波束扫描时栅瓣不进入实空间。最便于应用的坐标系是阵面的正弦空间坐标系统〔1～4〕。假设阵面倾角为�T,大地坐标系中方位角为Az,仰角为EL,则大地坐标系与阵面正弦空间坐标系的变换关系〔1,4〕如下:Kx=cos(EL)�sin(Az)(1)Ky=sin(EL)�cos(�T)-cos(EL)cos(Az)�sin(�T)(2)在大地坐标系中,方位扫描范围从-Az到+Az、仰角扫描范围从EL1到EL2的扫描空域很容易变换至阵面的正弦空间坐标系(Kx-Ky)。图1阵面倾角的定义图2三角形栅格排列时的坐标系统3最大单元间距的确定大地坐标与阵面正弦空间坐标系的变换,只有一个控制参数�T。在阵面倾角�T确定之后,就可把大地坐标系中的扫描空域变换到阵面的正弦空间坐标系中去。当栅瓣单位圆同阵面正弦空间坐标系中的扫描域边界相切、主波束扫到阵面正弦空间坐标系中扫描域边界相切处时,栅瓣扫到实空间的边缘。这样便可保证主波束在扫描域内扫描时栅瓣不进入实空间,由此确定阵列的最大单元间距〔1～4〕。上述结论是在无限阵条件下取得的,没有考虑波束宽度的影响,在实际应用时只要考虑有限阵的波束宽度、留出余量即可。3.1单元矩形栅格排列时最大单元间距的确定如果阵列单元沿X、Y轴排列的单元间距为dx、dy,则在阵面正弦空间坐标系中可能进入实空间栅瓣单位圆的圆心坐标为(±d-1x,0)(0,±d-1y),共四个栅瓣单位圆。利用沿Kx轴的50现代雷达19卷两个栅瓣单位圆同扫描空域边界相切确定最大的dx,沿Ky轴的两个栅瓣单位圆同扫描空域边界相切确定最大的dy。3.2单元三角形栅格排列时...
