摘要：介紹了一種新型256元的Ka波段圓極化貼片天線陣列。該天線陣具有多波束掃描、掃描范圍廣等特點。利用切比雪夫加權方式，實現多種波束的多狀態掃描。設計結果表明，在中心頻率31GHz處，掃描范圍可達到±40°，波束寬度可控。
目前，相控陣技術的應用在民用雷達、衛星通訊、環境與資源技術、工業無損檢測以及軍事等領域到了廣泛的使用。隨著雷達觀測目標種類的增多，要求雷達測量的目標參數不斷增加，并提高雷達電子對抗能力及目標識別能力，寬帶相控陣雷達、有源相控陣雷達、數字相控陣雷達、多波段綜合一體化相控陣雷達，成為當今相控陣技術發展的重要方向。大多數相控陣天線實現的目標都是體積小、重量輕、共形等問題。較少針對高頻、大功率，尤其是多波束、多狀態掃描進行討論。本文針對這一現狀提出一種相控陣天線模型，該模型利用圓極化微帶天線排列成16×16的方形平面陣列，此陣列具有工作頻率高，實現增益大，掃描范圍廣的特點。
1 加權方式和相位掃描
1.1 道爾夫-切比雪夫加權
在相控陣天線的設計中，能降低副瓣電平的遞減分布具有實際意義。然而副瓣電平和主瓣寬度是矛盾的，能在副瓣電平和主瓣寬度間進行最優折中的是道爾夫一切比雪夫分布陣。為此，充分利用切比雪夫多項式的有用特性。切比雪夫多項式是如下的二階微分方程的解
則此式的解可寫成
其特性表明當m是整數時，Tm(x)在|x|<1的范圍內是正弦振蕩函數，然后在|x|>1范圍內以雙曲線型上升。如果能使Tm(x)的一段和陣因子相對應，就能得到一個等副瓣的方向圖。于是利用C語言編程，利用切比雪夫加權方式計算出各陣因子的電流幅度，直接加權。
1.2 相位分布和波束掃描
如果電流分布是可分離的，此時陣因子可表示為
其中
這就是說αx和αy分別為口徑分布在x方向和y方向的均勻底邊相位。當波束掃描進行時，方向和方向的相位差都不為零，此時在陣列法線方向各單元輻射場不再是同相疊加，而是在偏離法線某一方向θ上由于各單元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移，各單元的輻射場變為同相疊加，因而使θ成為最大輻射方向。
在編程時考慮了相位分布，使最后的參數矩陣包含相位因子，直接施之于陣列之上，完成相位的分布和波束的掃描。
2 天線單元設計
該陣列的天線單元采用微帶結構，通過在貼片對角線E進行切角實現圓極化。采用50Ω同軸探針進行饋電，介質板介電常數為2.1。天線結構如圖1所示，貼片尺寸3.1mm×3.1mm，對角切角為腰長0.44mm的等腰三角形，饋電點距圓心0.69mm。如圖2所示，該單元工作頻率31GHz，工作帶寬達到6.4%。
圖3是31GHz處天線單元的二維增益方向圖，由仿真計算結果可知，31GHz處天線單元的增益約為7dB，3dB波束寬度為88°。31GHz處天線單元的軸比曲線如圖4所示。在(-60°，60°)范圍內<3 dB。
3 相控陣陣列的設計
采用16×16的方形平面組陣方式，陣元間距為5.28mm，在保證能夠實現最窄波束情況下，通過控制輻射單元的饋電實現可控多種波束多狀態掃描。本文利用Ansoft HFSS軟件對天線陣進行仿真，采用自定義陣列模式，陣列的相位權值在幾何文件中一一定義。
4 仿真結果
4.1 切比雪夫加權方式加權
圖5為陣元達到256個的時候，陣列的單相掃描方向圖。如圖所示，單相掃描角可以達到40°，此時增益達到22dB，波束寬度為9.36°，副瓣28.6dB。
圖6為雙相掃描進行時的方向圖。此時掃描角為36°×51°，增益基本不變，副瓣降低至40dB以下，波束寬度達到8.5°×12.5°。
為了達到多波束掃描，得到更寬的波束，在原陣基礎上，利用發射/接收組件控制陣元饋電，減少陣元，只取8×8的陣列進行饋電，間距不變，掃描結果如圖7所示，掃描角基本不變36°×48°，增益降低，波束寬度展寬至18.7°×26.8°，副瓣升高。
為了降低副瓣，對12×12的單元進行饋電，間距仍然不變，如圖8所示，此時的掃描角為36°×51°，增益升高同時波束寬度達到12°× 17°，但副瓣可降至40dB以下。
4.2 與泰勒加權比較
等副瓣切比雪夫陣列的輻射特性很好，但其兩端單元的激勵電流幅度往往比其鄰單元的電流幅度大很多，這就對陣列的饋電造成困難。本文利用泰勒加權，得到方向圖只有靠近主瓣的前幾個副瓣的電平接近相等，隨后的各副瓣電平單調遞減。這里只對16×16的陣列進行加權得到掃描角39°，增益達到23.3dB，波束寬度8.7°，副瓣20dB，并沒有降低副瓣，但是副瓣確實呈現遞減趨勢。
5 結束語
隨著相控陣天線在工程上的應用，相控陣技術成為未來電子對抗領域中主要技術發展方向，應用前景十分廣闊。文中所介紹的設計思路，天線陣元結構、天線陣列結構、掃描范圍波束寬度改變等技術，將會為以后的設計工作提供借鑒。
