相控阵天线
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。
相控阵天线由许多固定的天线单元组成,这些单元相干馈电,并在每个单元上用可变相位或时延控制使波束扫描到空间给定的角度上。有时,为了使方向图赋形,还需采取幅度控制。阵列有时还用来代替固定的口径天线(反射面、透镜),因为多个单元可使辐射方向图的控制更加精密,从而能得到更低的副瓣或更精细的方向图赋形然而,使用阵列天线的主要原因在于能够产生一个电控的可重新定位(扫描)的方向性波束。虽然本书也讨论具有固定(静止)波束和多个静止波束的阵列天线,但重点将是那些电扫阵列天线。
雷达或通信系统设计师把阵列天线看做一个具有一组技术指标的元件(具有可测量的输人和输出)。阵列设计师看到的是阵列的细节以及由雷达或通信系统所给定的物理和电气方面的限制,并在这些约束条件下寻求最佳设计。
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。
关键器件
相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°~360°范围内连续变化,数字式移相器的移相值是离散的。移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值,同时还需要满足一定的耐功率和温度稳定性等要求,以保证相控阵天线能在不同频率上和在变化的环境条件下正常工作。
天线辐射单元的设计应使一定移相范围内(或波束扫描范围内)和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小,以保证发射机正常工作,防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点(盲点)的现象。为此,可采用互耦小的单元或采取专门的去耦措施。
馈电方式:
相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下,射频能量通过波导、同轴线和微带线(见微带线和类微带线)等微波传输线馈给辐射单元。移相器置于微波传输线路内。在空间馈电方式下,发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间,传输一段距离后由一个接收阵接收,接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号,经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。在这种情况下,移相器位于发射阵和接收阵之间。空间馈电的馈电线路简单,但需要增加一个接收阵。传输线馈电的馈电线路复杂。
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