簡(jiǎn)介

關(guān)于相控陣天線方向圖，我們將分三部分介紹，這是第二篇文章。 在第一部分中，我們介紹了相控陣轉(zhuǎn)向概念，并查看了影響陣列增益的因素。在第二部分，我們將討論柵瓣和波束斜視。柵瓣很難可視化，所以我們利用它們與數(shù)字轉(zhuǎn)換器中信號(hào)混疊的相似性，將柵瓣想象為空間混疊。接下來(lái)，我們探討波束斜視的問(wèn)題。波束斜視是我們使用相移，而不是使用真實(shí)時(shí)間延遲來(lái)使波束轉(zhuǎn)向時(shí)，天線在頻段范圍內(nèi)無(wú)聚焦的現(xiàn)象。我們還將討論這兩種轉(zhuǎn)向方法之間的權(quán)衡取舍，并了解波束斜視對(duì)典型系統(tǒng)的影響。

柵瓣簡(jiǎn)介

到目前為止，我們只見(jiàn)過(guò)元件間隔為d ＝ λ／2這種情況。圖1開(kāi)始說(shuō)明為什么λ／2的元件間隔在相控陣中如此常見(jiàn)。圖中共顯示兩種情況。首先，是藍(lán)色線條，重復(fù)顯示第1部分圖11中的30°圖。接下來(lái)，d／λ間隔增加到0．7，以顯示天線方向如何變化。注意，隨著間隔增加，波束寬度減小，這是一個(gè)積極現(xiàn)象。零值間隔減小使它們的距離更接近，這也可以接受。但是現(xiàn)在出現(xiàn)了第二個(gè)角度，在本例中為–70°，在該角度下出現(xiàn)了全陣列增益。這是最為不利的情況。這種天線增益復(fù)制被定義為一個(gè)柵瓣，可以被認(rèn)為是空間混疊。

圖4．θ ＝ 50°、N ＝ 32、d ＝ 17 mm且Φ ＝ 10 GHz時(shí)，柵瓣開(kāi)始在水平方向出現(xiàn)。

通過(guò)限制最大掃描角度，可以自由地?cái)U(kuò)展元件間隔，增加每個(gè)通道的物理尺寸，以及擴(kuò)展給定數(shù)量的元件的孔徑。例如，可以利用這個(gè)現(xiàn)象，為天線分配相當(dāng)狹窄的預(yù)定義方向。元件增益可以增大，以在預(yù)先定義的方向上提供方向性，元件間隔也可以增大，以實(shí)現(xiàn)更大孔徑。這兩種方法都能在較窄的波束角度下獲得較大的整體天線增益。

注意，方程3表示最大間隔為一個(gè)波長(zhǎng)，即使在零轉(zhuǎn)向角度下也是如此。在一些情況下，如果柵瓣不出現(xiàn)在可見(jiàn)半圓內(nèi)即可。以地球同步衛(wèi)星為例，會(huì)以機(jī)械軸線校準(zhǔn)為中心，按9°的轉(zhuǎn)向角度覆蓋整個(gè)地球。在這種情況下，只要柵瓣不落在地球表面就可以。因此，元件間隔可以達(dá)到幾個(gè)波長(zhǎng)，使得波束寬度更窄。

還有一些值得注意的天線結(jié)構(gòu)，試圖通過(guò)形成不一致的元件間隔來(lái)克服柵瓣問(wèn)題。這些被歸類(lèi)為非周期陣列，以螺旋陣列為例。由于機(jī)械天線構(gòu)造的原因，我們可能希望有一個(gè)通用的可以擴(kuò)展為更大陣列的構(gòu)建模塊，但是，這會(huì)形成一致的陣列，會(huì)受所述的柵瓣條件影響。

波束斜視

在第1部分中，我們開(kāi)頭描述了在波峰接近元件陣列時(shí)，如何基于相對(duì)于軸線校準(zhǔn)的波峰角度θ在元件之間出現(xiàn)時(shí)間延遲。對(duì)于單一頻率，可以用相移代替時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向。這種方法適用于窄帶波形，但對(duì)于通過(guò)相移產(chǎn)生波束轉(zhuǎn)向的寬帶波形，波束可能轉(zhuǎn)移方向（與頻率呈函數(shù)關(guān)系）。如果我們記得時(shí)間延遲是線性相移與頻率之間的關(guān)系，則可以直觀地解釋。所以，對(duì)于給定的波束方向，要求相移隨頻率變化?；蛘呦喾?，對(duì)于給定的相移，波束方向隨頻率變化。波束角度隨頻率變化的狀況，被稱(chēng)為波束斜視。

還考慮到在軸線校準(zhǔn)位置θ ＝ 0時(shí)，沒(méi)有跨元件的相移，因此不會(huì)產(chǎn)生任何波束斜視。因此，波束斜視的量必須與角度θ和頻率變化呈函數(shù)關(guān)系。圖5顯示一個(gè)X頻段示例。在本例中，中心頻率為10 GHz，調(diào)制帶寬為2 GHz，且很顯然波束隨頻率和初始波束角度的變化而改變方向。

圖5．32元件線性陣在元件間隔為λ／2時(shí)，在X頻段上的波束斜視示例。

波束斜視可以直接計(jì)算。使用公式1和公式2，可以計(jì)算得出波束方向偏差和波束斜視

此公式如圖6所示。在圖6中，顯示的f／f0比率是有意的。前一個(gè)方程的倒數(shù)（f0／f）提供了一種更容易的方法，可以更直觀地表示相對(duì)于中心頻率的變化。

圖6．幾種頻率偏差下的波束斜視和波束角度。

關(guān)于波束斜視的幾點(diǎn)觀察發(fā)現(xiàn)：

波束角度與頻率的偏差隨著波束角度偏離軸線校準(zhǔn)的角度增大而增大。

低于中心頻率的頻率比高于中心頻率的頻率產(chǎn)生更大的偏差。

低于中心頻率的頻率會(huì)使波束更加遠(yuǎn)離軸線校準(zhǔn)。

波束斜視考慮

波束斜視，即轉(zhuǎn)向角度與頻率的偏差，是由相移來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲造成的。用真實(shí)時(shí)間延遲單元來(lái)執(zhí)行波束轉(zhuǎn)向則不會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題。

既然波束斜視問(wèn)題如此明顯，為什么還有人使用移相器，而不是時(shí)間延遲單元呢？一般而言，這歸因于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以及移相器和時(shí)間延遲單元的IC可用性。時(shí)間延遲以某些傳輸線的形式實(shí)現(xiàn)，所需的總延遲時(shí)間與孔徑大小呈函數(shù)關(guān)系。到目前為止，大多數(shù)可用的模擬波束成型IC都是基于相移，但也出現(xiàn)了一些真實(shí)時(shí)間延遲IC系列，它們?cè)谙嗫仃囍懈映Ｒ?jiàn)。

在數(shù)字波束成型中，真實(shí)時(shí)間延遲可以采用DSP邏輯和數(shù)字波束成型算法實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于每個(gè)元件都數(shù)字化的相控陣架構(gòu)，它本身就可以解決波束斜視問(wèn)題，并提供最高的編程靈活性。但是，這種解決方案的功能、尺寸和成本都會(huì)造成問(wèn)題。

在混合波束成型中，子陣采用模擬波束成型，全陣采用數(shù)字波束成型。這可以提供一些值得考慮的波束斜視減少。波束斜視只受子陣影響，子陣的波束寬度更寬，因此對(duì)波束角度偏差的容忍度更大。因此，只要子陣的波束斜視是可容忍的，即可在后接真實(shí)時(shí)間延遲（數(shù)字波束成型）的子陣內(nèi)采用帶移相器的混合波束成型結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

以上就是有關(guān)相控陣天線方向圖三部分中的第2部分內(nèi)容。在第1部分，我們介紹了波束指向和陣列因子。在第2部分，我們討論柵瓣和波束斜視的缺點(diǎn)。在第3部分，我們將討論如何通過(guò)天線變窄縮小旁瓣，并讓您深入了解移相器量化誤差。