基于陣元擴展法的陣列天線方向圖研究

向 前, 張蘭超, 毛曉軍, 姜 弢

(1.海軍駐武漢第七○一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于陣元擴展法的陣列天線方向圖研究

向 前1, 張蘭超2, 毛曉軍2, 姜 弢2

(1.海軍駐武漢第七○一研究所軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

提出一種分析陣列天線輻射方向圖的陣列擴展方法。該方法在計算陣列天線輻射方向圖時，只計入較鄰近單元的互耦效應，忽略較遠單元之間的互耦，從而簡化了計算方法、加快了計算速度。以Vivaldi陣列天線為例，應用陣元擴展方法對其輻射方向圖進行仿真計算，仿真結果和測試結果吻合，主瓣完全一致，副瓣基本一致。該陣元擴展方法可以應用在陣列天線輻射預測與仿真工作中。

陣元擴展方法；陣列天線；輻射方向圖；Vivaldi天線

0 引 言

由于陣元之間存在互耦，基于經典法的輻射方向圖乘積方法計算結果與真實情況之間存在較大差異，導致大型陣列天線輻射的方向圖的分析和綜合成為一個技術難題[1-3]。常規解決思路是應用全波仿真方法，但是對于大型陣列天線，由于實際工程中的陣元數目巨大，受到集群計算機運算能力的制約，該方法較難實現。因而尋找一種簡捷而精確的大型陣列輻射圖的計算方法顯得尤為重要。

目前提出的單元激勵方向圖方法(或稱為“本征激勵方向圖方法”)[4-5]，由其基本原理可見，陣中單元的單元激勵方向圖是該單元接內阻為匹配阻抗的單位電壓源，其他單元端接匹配負載時整個陣列的方向圖，所以單元激勵方向圖仍然是整個陣列的方向圖，只是只有一個單元被激勵而已。然而對于結構復雜的單元組成的大型陣列天線，如果采用數值方法計算單元激勵方向圖，則計算量將很大，憑借一般計算機運算資源和能力不可能在較短時間內完成如此大的計算量。

單元激勵方向圖方法計入了陣列中所有單元之間的互耦，而通過分析可以發現對于某一陣中單元而言，只有在它附近的單元對其互耦效應較大，距離較遠單元互耦對其影響很小，甚至可以忽略。為了在現有的計算機資源情況下，對由結構復雜的天線單元組成的陣列的計入互耦的方向圖進行分析計算，本文將單元激勵方向圖方法進行改進，得到了近似的單元激勵方向圖方法，稱之為陣元擴展方法。這種方法在計算陣中單元的單元激勵方向圖時，該單元接內阻為匹配阻抗的單位電壓源，同時只留下了離該單元較近的單元并端接匹配負載，而將其它單元徹底去掉，忽略了較遠單元之間的互耦，從而大大減小了計算量。

文中應用陣元擴展方法，對包含144個陣元的Vivaldi陣列天線的方向圖進行仿真計算，并且參考荷蘭科學技術學會的實測數據，通過仿真結果與測試結果的對比，證明了陣元擴展方法的正確性和可行性。

1 陣列天線的設計

Vivaldi天線是P.J.Gibson于1979年提出的一種非周期、漸變、端射行波天線[6]，之后，很多人對其結構、饋電、輻射特性等都進行了進一步的研究[7-9]。

該天線具有天線副瓣低、波束寬度可調、高效率、高增益、寬頻帶等特性，在實際的陣列天線中得到了廣泛的應用，并且該天線為微帶結構，具有尺寸小、成本低、結構簡單、易于加工等特點，因此選用Vivaldi陣列天線作為研究對象[10-11]。

通過理論計算以及仿真分析，設計出適用于S波段的微帶線-槽線饋電結構的Vivaldi天線，其結構如圖1所示，建模模型如圖2所示。

以該Vivadli天線作為陣元，組建了一個144陣元的陣列天線，圖3為144個陣元排列示意圖。在Vivaldi陣列天線中，每一個縱列或者每一行的陣元間距是3.02 cm，研究的頻率取為5 GHz，亦即半波長，很明顯，該平面陣跟一般的平面陣是不同的，它由2個相互垂直的平面陣組成，其陣元數目為8×9×2個，即144個。

圖1 Vivaldi天線單元的結構示意圖Fig.1 Schematic of Vivaldi antenna element

圖2 單個Vivaldi天線單元的建模模型示意圖Fig.2 Schematic model of single Vivaldi antenna element

圖3 陣元排列示意圖Fig.3 Schematic arrangement of array elements

2 仿真結果及驗證分析

為了驗證陣元擴展方法的正確性，本文在不同激勵情況下，對Vivaldi陣列天線的輻射方向圖進行了仿真計算，并將仿真數據與荷蘭科學技術協會的實測數據進行了對比分析。

1)在144個陣元中，只激勵中心一個單元，其他單元接匹配負載，激勵陣元示意圖如圖4所示，仿真結果I與測試結果I如圖5所示。

圖4 激勵中心陣元示意圖Fig.4 Schematic of excitation center elements

圖5 仿真結果I與測試結果I對比Fig.5 Comparation between simulation I and test I

2)在144個陣元中，等幅同相激勵28，30，44，46四個單元，其他單元接匹配負載，激勵陣元示意圖如圖6所示，仿真結果II與測試結果II如圖7所示。

圖6 激勵28，30，44，46陣元示意圖Fig.6 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

圖7 仿真結果II與測試結果II對比Fig.7 Comparation between simulation IIand test II

3)在144個陣元中，等幅同相激勵29，36，45，38四個單元，其他單元接匹配負載，激勵陣元示意圖如圖8所示，仿真結果III與測試結果III如圖9所示。

圖8 激勵29，36，45，38陣元示意圖Fig.8 Schematic of excitation 28,30,44,46 elements

圖9 仿真結果III與測試結果III對比Fig.9 Comparation between simulation III and test III

由以上仿真結果和實測結果對比可看出，應用本文所提出的陣元擴展方法仿真得到的方向圖與測試數據的吻合度非常理想，其中有72%的數據誤差控制在5 dB以內，并且在主瓣部分，仿真結果與測試結果基本相同。這說明，文中所提出的陣元擴展方法正確可行，并且誤差控制在較小的范圍內。

圖10給出了對114個陣元全部等幅同相激勵時，Vivaldi陣列天線的三維方向圖。

圖10 陣列天線三維方向圖Fig.10 Three dimensional pattern of the array antenna

4 結 語

為了更加簡便地、快速地、準確地計算結構復雜的大型陣列天線的輻射方向圖，提出了陣元擴展方法。該方法是與單元激勵方向圖方法近似的一種方法，這2種方法都考慮了陣列天線中各單元之間的耦合，但不同的是，單元激勵方向圖方法同時將較近和較遠單元的耦合效應計算在內，而陣元擴展方法忽略了較遠單元的耦合效應。因此陣元擴展方法簡化了計算過程，加快了計算速度。

為了驗證陣元擴展方法的正確性，使用六臺揚天M4680M計算機并行計算144陣元的Vivaldi天線陣列的輻射方向圖，并將仿真數據與實測數據進行了對比。通過對比結果可知，有72%的數據在5 dB誤差以內，且主瓣區域完全重合，證實了仿真方法的正確性。并且仿真時間僅有6 h，相比于其它仿真手段，大幅度的提高了仿真效率，突破了大型寬帶陣列天線的仿真時間過長的問題。因此，陣元擴展方法是正確可行的，能夠在陣列天線輻射方向圖問題中發揮重要作用。

但是，從對比結果中還可以看出，隨著角度偏離法線方向，誤差呈增大趨勢，如何更好的減小誤差，增加陣元擴展方法的準確性，需要進一步的深入研究。

[2] Ngo Thi Huong, Le Mai Ngoc Quynh Trang, Nguyen Quoc Dinh, Naobumi Michishita and Yoshihide Yamada.Asymmetrical radiation pattern synthesis of a linear array antenna by a least mean square method[C].International Conference on Advanced Technologies for Communications,2014:559-562.

[4] 卜安濤,史小衛.天線方向圖綜合中的本征激勵方法[J].西安電子科技大學學報,2004(2):243-247.

[5] 張志軍,馮正和.基于去耦分析的圓形陣列方向圖綜合[J].電子學報,1998,26(3):33-57.

[6] GIBSON P J.The vivaldi aerial[J].Proc 9th Microwave Conference,1979,12(2):101-105.

[7] ERIC T.FD-TD Analysis of vivaldi flared horn antenna and arrays[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,1994,42(5):633-640.

[8] 許唐紅, 張弘, 王東, 等.高增益寬帶圓極化Vivaldi天線陣的設計[J].強激光與粒子束,2013,25(3):685-688.

[9] MORTEZA B, AHAD T, ROUZBEH M.Analysis of vivaldi antenna over a finite ground using a FDTD method[J].IEEE,2003,12(2):904-907.

[10] 陳騰.Vivaldi天線及其陣列的隱身設計[D].南京; 南京航空航天大學,2012.

[11] 劉聰.X波段Vivaldi陣列天線單元及互耦研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012.

Research on radiation pattern of array antenna based on element extension

XIANG Qian1，ZHANG Lan-chao2，MAO Xiao-jun2，JIANG Tao2

(1.The Navy Representative Office in 701 Institute,Wuhan 430000,China；2.College ofInformation and Communication Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Array element extension method is presented in this paper.When this method is adaopted to calculate the radiation patterns, just the mutual coupling of the adjacent elements is computed and the mutual coupling of the remote elements is ignored, which simplified the calculation and accelerateed the computation.Taking the Vivaldi array antenna as an example, array element extension method is applied to calculate its radiation patterns.The studies showed that the simulation and measured results were anastomotic, completely consistent in the in the main lobe and basically consistent in the side lobes.The proposed array element extension method is effective and can be applied in the estimation and simulation of the radiation pattern of array antenna.

element extension; array antenna; radiation pattern; Vivaldi antenna

2015-04-09；

2015-07-27

向前(1978-)，男，工程師，主要從事艦船總體電子武備專業。

TN820

A

1672-7649(2015)10-0111-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.023