相控阵天线方向图：栅瓣和波束斜视

简介

关于相控阵天线方向图，我们将分三部分介绍，这是第二篇文章。 在第一部分中，我们介绍了相控阵转向概念，并查看了影响阵列增益的因素。在第二部分，我们将讨论栅瓣和波束斜视。栅瓣很难可视化，所以我们利用它们与数字转换器中信号混叠的相似性，将栅瓣想象为空间混叠。接下来，我们探讨波束斜视的问题。波束斜视是我们使用相移，而不是使用真实时间延迟来使波束转向时，天线在频段范围内无聚焦的现象。我们还将讨论这两种转向方法之间的权衡取舍，并了解波束斜视对典型系统的影响。

栅瓣简介

到目前为止，我们只见过元件间隔为d ＝ λ／2这种情况。图1开始说明为什么λ／2的元件间隔在相控阵中如此常见。图中共显示两种情况。首先，是蓝色线条，重复显示第1部分图11中的30°图。接下来，d／λ间隔增加到0．7，以显示天线方向如何变化。注意，随着间隔增加，波束宽度减小，这是一个积极现象。零值间隔减小使它们的距离更接近，这也可以接受。但是现在出现了第二个角度，在本例中为–70°，在该角度下出现了全阵列增益。这是最为不利的情况。这种天线增益复制被定义为一个栅瓣，可以被认为是空间混叠。

 

图4．θ ＝ 50°、N ＝ 32、d ＝ 17 mm且Φ ＝ 10 GHz时，栅瓣开始在水平方向出现。

通过限制最大扫描角度，可以自由地扩展元件间隔，增加每个通道的物理尺寸，以及扩展给定数量的元件的孔径。例如，可以利用这个现象，为天线分配相当狭窄的预定义方向。元件增益可以增大，以在预先定义的方向上提供方向性，元件间隔也可以增大，以实现更大孔径。这两种方法都能在较窄的波束角度下获得较大的整体天线增益。

注意，方程3表示最大间隔为一个波长，即使在零转向角度下也是如此。在一些情况下，如果栅瓣不出现在可见半圆内即可。以地球同步卫星为例，会以机械轴线校准为中心，按9°的转向角度覆盖整个地球。在这种情况下，只要栅瓣不落在地球表面就可以。因此，元件间隔可以达到几个波长，使得波束宽度更窄。

还有一些值得注意的天线结构，试图通过形成不一致的元件间隔来克服栅瓣问题。这些被归类为非周期阵列，以螺旋阵列为例。由于机械天线构造的原因，我们可能希望有一个通用的可以扩展为更大阵列的构建模块，但是，这会形成一致的阵列，会受所述的栅瓣条件影响。

波束斜视

在第1部分中，我们开头描述了在波峰接近元件阵列时，如何基于相对于轴线校准的波峰角度θ在元件之间出现时间延迟。对于单一频率，可以用相移代替时间延迟来实现波束转向。这种方法适用于窄带波形，但对于通过相移产生波束转向的宽带波形，波束可能转移方向（与频率呈函数关系）。如果我们记得时间延迟是线性相移与频率之间的关系，则可以直观地解释。所以，对于给定的波束方向，要求相移随频率变化。或者相反，对于给定的相移，波束方向随频率变化。波束角度随频率变化的状况，被称为波束斜视。

还考虑到在轴线校准位置θ ＝ 0时，没有跨元件的相移，因此不会产生任何波束斜视。因此，波束斜视的量必须与角度θ和频率变化呈函数关系。图5显示一个X频段示例。在本例中，中心频率为10 GHz，调制带宽为2 GHz，且很显然波束随频率和初始波束角度的变化而改变方向。

 

图5．32元件线性阵在元件间隔为λ／2时，在X频段上的波束斜视示例。

波束斜视可以直接计算。使用公式1和公式2，可以计算得出波束方向偏差和波束斜视

 

此公式如图6所示。在图6中，显示的f／f0比率是有意的。前一个方程的倒数（f0／f）提供了一种更容易的方法，可以更直观地表示相对于中心频率的变化。

 

图6．几种频率偏差下的波束斜视和波束角度。

关于波束斜视的几点观察发现：

波束角度与频率的偏差随着波束角度偏离轴线校准的角度增大而增大。

低于中心频率的频率比高于中心频率的频率产生更大的偏差。

低于中心频率的频率会使波束更加远离轴线校准。

波束斜视考虑

波束斜视，即转向角度与频率的偏差，是由相移来实现时间延迟造成的。用真实时间延迟单元来执行波束转向则不会出现此问题。

既然波束斜视问题如此明显，为什么还有人使用移相器，而不是时间延迟单元呢？一般而言，这归因于设计简单，以及移相器和时间延迟单元的IC可用性。时间延迟以某些传输线的形式实现，所需的总延迟时间与孔径大小呈函数关系。到目前为止，大多数可用的模拟波束成型IC都是基于相移，但也出现了一些真实时间延迟IC系列，它们在相控阵中更加常见。

在数字波束成型中，真实时间延迟可以采用DSP逻辑和数字波束成型算法实现。因此，对于每个元件都数字化的相控阵架构，它本身就可以解决波束斜视问题，并提供最高的编程灵活性。但是，这种解决方案的功能、尺寸和成本都会造成问题。

在混合波束成型中，子阵采用模拟波束成型，全阵采用数字波束成型。这可以提供一些值得考虑的波束斜视减少。波束斜视只受子阵影响，子阵的波束宽度更宽，因此对波束角度偏差的容忍度更大。因此，只要子阵的波束斜视是可容忍的，即可在后接真实时间延迟（数字波束成型）的子阵内采用带移相器的混合波束成型结构。

总结

以上就是有关相控阵天线方向图三部分中的第2部分内容。在第1部分，我们介绍了波束指向和阵列因子。在第2部分，我们讨论栅瓣和波束斜视的缺点。在第3部分，我们将讨论如何通过天线变窄缩小旁瓣，并让您深入了解移相器量化误差。

审核编辑：符乾江