相控陣天線方向圖仿真方法評估

向 前，王 萌

(1.海軍駐武漢七〇一研究所軍事代表室，湖北武漢 430064;2.中國艦船研究院，北京 100192）

相控陣天線方向圖仿真方法評估

向 前1，王 萌2

(1.海軍駐武漢七〇一研究所軍事代表室，湖北武漢 430064;2.中國艦船研究院，北京 100192）

相控陣天線方向圖是天線的一個重要指標，對于評估艦船關鍵區域的場分布以及電磁兼容性也有重要的參考價值。因此作者針對2種相控陣天線的仿真方法，即全波仿真分析法、方向圖乘積法進行研究，評估2種方法的精度差異。

相控陣天線;方向圖;仿真方法

0 引言

天線所輻射的無線電波在空間上的分布通常不均勻，這就是天線的方向性。天線的輻射方向圖(簡稱方向圖）是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。所謂輻射參量包括輻射的功率通量密度、場強、相位和極化。在通常情況下，輻射方向圖在遠區測定，并表示為空間方向坐標的函數［1］。

對于相控陣天線而言，方向圖是天線的一個重要指標。隨著水面艦艇相控陣天線數量的增加，研究相控陣天線的方向圖計算方法具有越來越重要的現實意義。因此作者在此研究相控陣天線方向圖的仿真方法，提出工程中切實可行的計算方法，為評估水面艦艇電磁環境，分析可能存在的單艦和編隊電磁干擾提供參考。

1 相控陣天線方向圖的全波仿真分析方法

矩量法是一種求解線性方程的方法［2］。對于方程:

式中:L為線性算子;g為已知函數;f為未知函數。令f在L的定義域中展開為f1，f2，f3…的組合，如

在嚴格的矩量法步驟中，應當把所處理問題中的所有物體都取走，而代之以自由空間輻射的等效電磁流［3］。因此，當要求出第m個檢驗函數對第n個基函數產生的場反應時，只需要考慮通過最短的自由空間路程直接到達第m個檢驗函數的場，因為這是唯一有可能的場。但如果在某種情況下把所處理問題中部分物體保留下來而不用等效電磁流取代它，則阻抗矩陣元素的計算就有些復雜了。假設Zmn'是新的阻抗元素，則式中Wm對L(Jm）的反應可以解釋為有檢驗源Wm對由實際源直接到達的場的反應以外，還要加上檢驗源對由實際源通過其他途徑到達檢驗源的場的反應。因此新的阻抗矩陣可以寫為

式中:Ei為直接到達m區的入射場;CEi則為從源經過一個物理過程g再到達m區的場。

于是:

其中I'為在某種散射機制存在時發射天線上的電流。

采用矩量法進行計算需要對天線模型，按照目前流行的RWG方式按照0.2λ進行剖分［4］，結果如圖1所示。

圖1 相控陣天線剖分模型Fig.1 Model of anay antema

根據相控陣天線的工作頻率，賦予各單元一定的幅度和相位激勵，仿真計算得到相控陣天線仿真方向圖如圖2所示。

圖2 相控陣天線仿真方向圖Fig.2 Pattern of anay antenocc

2 相控陣天線方向圖的乘積定理分析法

天線單元的方向圖如圖3所示。

圖3 天線單元方向圖Fig.3 Pattern of phased array antenna unit

如圖4所示的天線陣，x方向有Nx個單元，y方向有Ny個單元，設編號為 (i，j）單元的坐標為(xi，yj），則有

圖4 陣列天線示意圖Fig.4 Phased array aatenna

設場點的坐標為(x0，y0，z0），則某個單元和場點之間的距離為

3 相控陣天線方向圖

采用方向圖乘積定理，仿真計算得出某相控陣天線的方向圖如圖7所示。

圖5 相控陣天線方向圖Fig.5 3D pattern of phased array antenna

圖6 相控陣天線俯仰面二維方向圖Fig.6 2D pattern of phased array antenna

為了便于比較方向圖的差異，用2種方法計算俯仰面二維方向圖并進行數值比對。方位面的方向圖都是標準的圓形或者8字形，因此只需要對比俯仰面即可，比對結果如圖8所示，方向圖大部分方向上，誤差小于1 dB，可以滿足實際工程的需要。

4 結語

本文研究對比全波方法與方向圖乘積方法計算相控陣天線方向圖。通過對比表明，對于大型陣列天線，采用方向圖乘積方法計算精度高、計算速度快，是工程中一種較實用的方向圖計算方法。

［1］魏文元，宮德明，陳必森.天線原理［M］.北京:國防工業出版社，1985.

［2］HARRINGTON R F.Field computation bymomentmethods［M］.MacMillan，New York，1968.

［3］哈林登 R F.計算電磁場的矩量法［M］.王爾杰，等譯，北京:國防工業出版社，1981.

［4］RAO SM，WILTON D R，GLISSON A W.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape［J］.IEEE Trans.1982，30(3）:409 －418.

Themethod of the phased array pattern computation

XIANG Qian1，WANG Meng2
(1.Navy Representative Office of Navy in The 701 Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

The pattern is important to phased array，so the author study on the simulation method of phased array pattern，and present the feasible method.By evaluating the different method，the author presents a suitablemethod for the engineer.

phased array;pattern;computation method

TN821+.8

A

1672－7649(2014）04－0120－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.025

2013－10－10;

2014－02－20

向前(1978－），男，博士，工程師，從事武器系統運用工程研究。