微带相控阵天线计算资料讲解
微带相控阵天线计算资料讲解
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瞬态时域求解
端口时域信号
S参数
端口场
远场
相控阵天线计算的三种方法
第一种方法
第一种方法
–计算仅涉及天线结构之间的相互影响。
• 整体模型，同时激励；
–同时涉及结构和激励的相互影响。
练习：偶极子相控阵天线的计算
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第一种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
选择Results-Combine Results..命令
第二种方法
第二种方法
第三种方法
第三种方法
第三种方法
三种方法之总结
• 由单个天线计算天线阵：
–未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。
• 由整体模型单独串行激励计算辐射场：
相控阵天线eirp计算
相控阵天线eirp计算（原创实用版）目录1.相控阵天线的基本概念2.相控阵天线的工作原理3.相控阵天线的 EIRP 计算方法4.EIRP 计算的实际应用案例5.结论正文1.相控阵天线的基本概念相控阵天线是一种高精度、高性能的天线系统，由多个辐射单元组成。
这些辐射单元可以通过控制其相位和幅度来实现对波束指向和形状的控制。
相控阵天线在通信、导航、遥感等领域具有广泛的应用。
2.相控阵天线的工作原理相控阵天线的工作原理是通过控制各辐射单元的相位和幅度来调整天线波束的方向和形状。
当各辐射单元的相位相同且幅度相等时，天线波束呈球面波；当各辐射单元的相位不同且幅度相等时，天线波束呈平面波；当各辐射单元的幅度不同且相位相同时，天线波束呈椭圆波。
通过改变各辐射单元的相位和幅度，可以实现对天线波束的指向和形状的控制。
3.相控阵天线的 EIRP 计算方法EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）是指天线实际辐射功率与理论辐射功率之比，单位为分贝（dB）。
相控阵天线的 EIRP 计算方法主要包括两种：一种是基于天线单元的 EIRP 计算方法，另一种是基于系统级的 EIRP 计算方法。
基于天线单元的 EIRP 计算方法主要通过计算每个天线单元的辐射功率，然后乘以天线单元的数量得到总的 EIRP。
这种方法适用于分析天线单元对 EIRP 的贡献。
基于系统级的 EIRP 计算方法主要通过测量系统的总辐射功率和系统在天线指向方向上的辐射功率，然后计算它们之间的比值得到 EIRP。
这种方法适用于分析系统的整体性能。
4.EIRP 计算的实际应用案例在某卫星通信系统中，需要对相控阵天线的 EIRP 进行计算，以确保系统在不同工作条件下都能满足性能要求。
具体步骤如下：（1）根据系统要求，确定天线单元的数量、尺寸和形状。
（2）计算每个天线单元的辐射功率。
（3）计算天线单元间的相互作用，包括天线间的互相关和互相干。
2.45GHz四元微带天线阵设计方案
(1)
可见 L 值与 r 直接相关。当 L、W 确定后，则 h 的取值决定着天线的体积和重量。 2. 对微带线特性阻抗的影响 本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相 关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带 线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。 导体带宽度为 w， 介质基片厚度为 h， 相对介电常数为 r 。微带线传输准 TEM 模。当 r 及 h 已知时，微带线的特性阻抗 Z c 取决 于 w / h 比值，随 w / h 增大而减小。 给定特性阻抗 Z c ，可用下列公式求得所需微带线的宽度 w:
1 1 1 1 1 Q Qr Qd Qc Qsw
(9)
Qr、Qd、Qc、Qsw 分别对应于辐射损耗、介质损耗、导体损耗和表面波损耗的品质因
子值。
Qd
3 1 1 , Qc h 0 f 0 , Qr 0 r , Qsw ( 1)Qr h tan 8h 3.4 r 1
图 1 传输线法物理模型
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图 1 所示为传 输线法物理模型。传输线模型的基本假设是：1）微带片和金属底板构成一段微带传输线， 传输准 TEM 波，博得传输方向决定于馈电点。线段长度 L g / 2 ， g 为准 TEM 波的波 长。常在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两 个辐射缝长为 W，宽为 h，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的 延伸面上，即是将开口面向上折转 90o,而开口场强随之折转。 由以上两条基本假设可以看出，当 L g / 2 时，二缝上切向电场均为 x 方向，且等幅 同相、它们等效为磁流，由于金属底板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等 效磁流密度为 M s 2V / h ，式中，V 为传输线开口端电压。 由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按自由空间处理，这是这种方法的方便 之处。 1.2 微带天线单元设计 微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等，他们都各有特点，但考虑到 制板以及微带线馈电和匹配， 通常大多采用矩形贴片。 一般矩形微带天线的馈电方式都是从 贴片某一边的中心点馈电由于馈电点所在的边和辐射边平行， 辐射边是均匀分布， 因此激励 的工作模为 TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标示意图如图 2 所 示。其与设计有关参量包括：辐射元长度 L，辐射元宽度 W，介质板厚度 h，介质板的长度 LG 和宽度 WG，介质的相对介电常数 r 和损耗角正切 tan ，馈电方式及阻抗匹配。
相控阵天线eirp计算
相控阵天线eirp计算相控阵天线（Phased Array Antenna）是一种由多个天线单元组成的天线系统，通过控制每个天线单元的相位和幅度，可以实现对无线信号的波束形成和方向调节。
在无线通信和雷达系统中，相控阵天线被广泛应用于提高信号传输和接收的性能。
EIRP（Equivalent Isotropically Radiated Power）是指天线在特定方向上的等效等向辐射功率。
它是一个衡量天线辐射功率的指标，可以用来评估天线的发射能力。
计算EIRP的公式如下：EIRP = PT + G - L其中，PT是天线的发射功率，G是天线的增益，L是天线的损耗。
首先，我们需要知道天线的发射功率PT。
发射功率是指天线向空间发送的无线信号的功率大小。
通常，发射功率由无线设备的发射电路决定，可以通过测量电路中的电流和电压来计算。
其次，我们需要计算天线的增益G。
天线的增益是指天线在特定方向上辐射功率相对于理想等向辐射天线的增益。
天线的增益与天线的结构和设计有关，可以通过天线的指向性图和辐射功率图来确定。
最后，我们需要考虑天线的损耗L。
天线的损耗包括导线损耗、辐射损耗和接头损耗等。
导线损耗是指由于电流在导线中的传输而产生的能量损耗；辐射损耗是指由于电磁波辐射而导致的能量损耗；接头损耗是指由于天线与其他设备之间的连接而产生的能量损耗。
这些损耗可以通过实验测量或者理论计算来确定。
综上所述，计算相控阵天线的EIRP需要考虑天线的发射功率、增益和损耗。
通过测量和计算这些参数，我们可以得到相控阵天线在特定方向上的等效等向辐射功率。
这个值可以用来评估天线的发射能力，并且在无线通信和雷达系统中起到重要的作用。
相控阵天线的EIRP计算是一个复杂的过程，需要考虑多个因素。
在实际应用中，我们可以利用计算机模拟和仿真工具来进行计算，以提高计算的准确性和效率。
相控阵天线的EIRP计算对于无线通信和雷达系统的设计和优化具有重要的意义，可以帮助我们提高系统的性能和可靠性。
相控阵天线gt值计算
相控阵天线gt值计算相控阵天线（Phased Array Antenna）是一种由多个天线单元组成的天线系统。
其中的每个天线单元可以通过控制相位和振幅来调整辐射波束的方向和形状，从而实现对特定目标的跟踪和定位。
与传统的机械转向天线相比，相控阵天线具有快速、精确、灵活等优点，被广泛应用于雷达、通信、无线电导航等领域。
在相控阵天线中，gt值是一个重要的性能指标，代表了天线的增益和方向性。
gt值的计算需要考虑天线的辐射功率和接收灵敏度，以及与自由空间中的基准天线进行比较。
具体而言，gt值可以通过以下公式进行计算：gt = Gr * Ar / (λ^2 * 4 * π)其中，Gr为接收天线的增益，Ar为接收天线的有效面积，λ为工作波长。
相控阵天线的增益主要来源于两个方面：天线的直接ivity（D）和阵列增益（G）。
直接ivity是指天线在某个特定方向上的辐射能力，而阵列增益是指通过相控技术将天线单元的辐射能力叠加形成的增益效果。
gt值可以通过以下公式进行计算：gt = D * G天线的直接ivity是与天线的物理结构和辐射特性相关的，包括天线的形状、大小、材料等。
而阵列增益则是通过调整天线单元的相位和振幅来实现的。
通过改变天线单元之间的相位差，相控阵天线可以实现波束的方向和形状的调整。
此外，通过调整天线单元的振幅，相控阵天线还可以实现波束的增强和抑制。
相控阵天线的阵列增益与天线单元的数量、间距、相位差等参数相关。
gt值的计算还需要考虑接收天线的有效面积。
有效面积是指天线接收到的信号功率与信号源的辐射功率之间的比值。
对于相控阵天线来说，有效面积与天线单元的大小、形状、方向性等有关。
较大的天线单元可以提高有效面积，从而增加接收信号的强度。
gt值的计算还需要考虑工作波长。
工作波长是指天线操作的频率所对应的波长。
波长越短，相控阵天线的分辨率越高，对目标的定位和跟踪能力越强。
相控阵天线的gt值是一个重要的性能指标，可以通过计算天线的增益和方向性来获得。
相控阵天线 ppt课件
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特 性阻抗，用符号Ｚ。表示
通常Ｚ。=50欧姆
馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间 介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率 以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。
50 ohms
朝前 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
无源相控阵仅有一 个中央发射机和一 个接收机，发射机 产生的高频能量经 过计算机自动分配 给天线阵的各个辐 射器，目标反射信 号经接收机统一放 大
当相邻单元的相位依次相差Φ时，最大 波束形成于θ0空间方向。
2λ πd•sin0
d sin
d
d
0
2
k
0
12
k
0
si
n 1
d2/
(N－ 1)
N－ 1
移相器是电调天线的重要组成 部分，它通过调节馈电网络的 长度来改变各振子馈电相位， 实现天线波束下倾
有源相控阵的每个 辐射器都配装有一 个发射/接收组件， 每个组件都能自己 产生，接收电磁波， 因此在频宽，信号 处理和冗度设计上 都比无源相控阵具 有较大的优势
越好。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
相控阵天线
相控阵天线图1：左：两个天线单元，与同相馈，右：两个天线单元，与美联储不同的相移相控阵天线的辐射单元组成，每个地段与移相器。
梁所形成的转移，从每个辐射元件发出的信号相位，提供建设性/破坏性的干扰，以便在需要的方向引导横梁。
在图1（左）都辐射元素厌倦同相。
该信号被放大的主要方向建设性的干扰。
梁清晰度提高了破坏性的干扰。
图2：电子束偏转动画在图1（右），信号发出的辐射元素降低了10度的相移比上辐射元素前面。
正因为如此的发射和信号的主要方向是向上移动。
（注：辐射元素已被用于无反射，因此在图中显示的图后瓣天线是一样的主瓣大）主梁总是指向在增加相移的方向。
那么，如果信号被辐射是通过电子传递相移器给人一种连续相移现在，将电子束的方向调整。
但是，这不能无限延长。
最高值，可用于查看相控阵天线（FOV）领域所取得的为120 °（60 °和60 °左右）。
随着正弦定理的必要阶段的时候可以计算出来。
下图以图形显示了辐射单元矩阵。
任意天线结构可以作为天线领域中的一个焦点。
对于相控阵天线是决定性的，单一辐射元素与常规相不动，因此改变了梁的主要方向带领。
例如天线的市场价117由1584辐射在一个模拟波束形成结•••••••可能的安排线性阵列图3：相控阵天线线阵这些天线组成，其行约一个共同的移相器送入元素。
一个垂直安装在对方数线性阵列形成一个平面天线。
•优点：简单的安排•缺点：只在一个平面上可能的射线偏转•举例给出：•PAR - 80（水平波束偏转）和•RRP - 117（垂直波束偏转）•大型立式孔径（LVA），与固定波束天线的模式。
这对相控阵天线是一种常用的，如果波束偏转是在一个平面上，因为只需要一个完整的天线又是无论如何进行（RRP - 117）。
图4：相控阵天线平面阵列平面阵列这些天线阵列完全由单打辐射元素和它每获得一个自己的相移器。
该元素是有序的矩阵数组。
对所有元素形成完整的平面布置相控阵天线。
相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算概要
第30卷第6期2010年12月弹箭与制导学报J o u r n a l o f P r o j e c t i l e s,R o c k e t s,M i s s i l e s a n d G u i d a n c eV o l.30N o.6D e c2010相控阵导引头微带天线阵设计及单元功率容量计算*郝媛,潘英锋,唐志凯(空军雷达学院,武汉430019摘要:文中重点研究了微带天线的功率容量能否满足相控阵导引头的要求。
首先,根据课题需要进行了相控阵导引头天线阵的总体设计;然后,根据典型参数和需要的探测距离,计算出导引头天线阵中每个单元的发射功率;接着,对矩形微带天线的功率容量进行了研究,并给出了矩形微带天线功率容量随关键参数变化的曲线,该曲线对于矩形微带天线的设计具有参考价值,研究结果表明微带天线的功率容量可以满足相控阵导引头的应用要求。
关键词:相控阵;导引头;相控阵导引头;功率容量中图分类号:T J765.3文献标志码:AA r r a y D e s i g n a n d E l e m e n t’s P o w e r C a p a c i t y C a l c u l a t i o n f o rH o m i n g S e e k e r’s M i c r o s t r i p A n t e n n a A r r a yHA O Y u a n,P A N Y i n g f e n g,T A N G Z h i k a i(A i r F o r c e R a d a r A c a d e m y,W u h a n430019,C h i n aA b s t r a c t:W h e t h e r m i c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r’s r e q u i r e m e n t w a s s t u d i e d.F i r s t l y, a n t e n n a a r r a y u s e d b y p h a s e d a r r a y h o m i n g s e e k e r w a s s y s t e m a t i c a l l y d e s i g n e d,t h e n t r a n s m i t t i n g p o w e r o f e a c h u n i t o f s e e k e r’s a n t e n n a a r r a yw a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t y p i c a l p a r a m e t e r s a n d t h e r e q u i r e d d e t e c t i o n r a n g e;A f t e r t h a t t h e p o w e r c a p a c i t y o f r e c-t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a w a s s t u d i e d a n d t h e c u r v e o f c a p a c i t y c h a n g e w i t h k e y p a r a m e t e rc h a n g e w a s g i v e n,w h i c h i s h e l p f u l f o rde s i g n of r e c t a ng u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a.Th e r e s u l t s s h o w e d t h a t mi c r o s t r i p a n t e n n a’s p o w e r c a p a c i t y c a n m e e t t h e n e e d o f p h a s e d a r r a y s e e k e r.K e y w o r d s:p h a s e d a r r a y;s e e k e r;p h a s e d-a r r a y s e e k e r;p o w e r c a p a c i t y0引言导引头是整个精确制导武器中最具核心地位的子系统,其性能优劣直接影响精确制导武器的效能。
相控阵天线的设计与FDTD分析
本文在 已有天线单元 的基 础上 构建 等距微带线阵 ， 分 析其 方 向特性 ， 添加 移 相器构 造相 控 阵天线 ， 用 Ｆ Ｔ 再 并 ＤＤ 仿 真软件分析相控阵天线不 同扫描角的方 向图。
０ ７ ｍ， ＝ ．６ｍ ．７ｍ 缸 ０ ２ ｍ，时 域 步长 Ａ ＝０ ７ ｓ 由 Ｃ ｕａｔ ｔ ． ９ｐ ， ｏｒｎ 稳定 性条件决定。采用调制高斯脉 冲作为激励 源 ， 中心 频率 为 ３Ｇ ｚ半 功率带宽为 ２ Ｇ Ｈ ， Ｈｚ。 为满足相邻阵元之 间电压激励 的相位 之差 ， 设置 相邻 电
均 匀传输 线上相距长度 为 工的两点之 间的相位差 为 】
一
时， 理论上不 出现栅瓣 扫描 角应满足的条件 为 ：
ｑ ｂ
＝
， 此式表明改变相位的方法有两种： 一种
１￣ｌ ｒｉ（ 一１ ０ｏ ＜ａ ｓ ｃｎ Ａ ）＝ａ ｓ （ ｒｉ ｃｎ
ａｃｉ ９ ｒ ｓｎ ０． ６＝７ ４。
向） 则 天线 阵的最大辐射方 向为 。固定各个贴片天线 在 ，
阵列 中的位 置 ， 过改变相邻两 阵元 的贴 片天线到激励 源的 通 位置之 差 Ｚ即在微带 馈线上改变各 阵元 的激励 源的位置 ， ， 在 ｄ保持不变的情况下 ， 必然改变 ， 这就是相控阵天线 的原理。
图 １中 （ ） ｂ 、（ ） ｄ 所示 。图中实线所绘 为 Ｅ面方 ａ 、（ ） ｃ 、（ ） 向图 ， 虚线所绘为 Ｈ面方 向图。可见 ， 该线 阵能精 确实 现从
的最大相对误差为 ６ ｏ ％。 ．８ ２２ ． ７元相控 阵天线 方向性分析 对 ７元相控阵 天线 分别 由 Ｆ Ｔ Ｄ Ｄ软件计 算 给 出了扫 描 角为 ０ 、５ 、０ 、５ 离散 角时的远场方向 图， 。１ 。３ 。４ 。 方向图依次 如
相控阵天线 增益 面积-概述说明以及解释
相控阵天线增益面积-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述相控阵天线是一种利用阵列中多个天线元件的相位和幅度来实现波束的指向性和增益控制的天线系统。
相较于传统的天线系统，相控阵天线具有更高的方向性和增益，可以满足更复杂的通信和雷达应用需求。
增益作为评判天线性能的重要指标之一，决定了天线的信号接收和传输能力。
而面积则是天线在实际应用中需要考虑的一个重要方面，不同应用场景对天线体积和尺寸的要求不同。
本文将首先对相控阵天线的原理和工作方式进行介绍。
接着，深入探讨增益是如何影响天线性能的，并详细分析增益的计算方法和影响因素。
最后，将讨论天线面积与其他性能指标之间的关系，分析天线面积对性能的影响，并探索如何在保证性能的前提下进行面积优化。
通过本文的阅读，读者将能够全面了解相控阵天线的概念和特点，了解增益和面积对天线性能的重要影响，并能够灵活应用相关知识进行天线设计和优化。
文章结构是指文章的组织框架和内容分布，它是确保文章逻辑清晰、条理分明的重要组成部分。
本文将按照以下结构进行阐述:1. 引言1.1 概述在引言部分，我们将对相控阵天线的概念和应用进行简要介绍，引出本文的研究主题。
1.2 文章结构这一部分将阐述整篇文章的结构和内容分布。
我们将首先介绍相控阵天线的原理和构成，然后讨论其增益和面积的关系，最后在结论部分对整篇文章进行总结，并探讨相关研究的意义。
1.3 目的在引言的最后，我们将明确本文的研究目的和意义，为后续的内容铺垫。
2. 正文2.1 相控阵天线在这一部分，我们将详细介绍相控阵天线的原理和应用。
包括其工作原理、构成要素以及特点等内容，旨在帮助读者全面了解相控阵天线的基本知识。
2.2 增益这一部分将探讨相控阵天线的增益特性。
我们将解释增益与天线的方向性和辐射能力之间的关系，并介绍相控阵天线如何通过改变阵元权重来调整增益的方向和强度。
2.3 面积在这一部分，我们将研究相控阵天线的面积问题。
我们将讨论面积对天线性能和尺寸的影响，以及如何通过优化天线布局和设计来实现更好的性能和更小的面积占用。
相控阵天线设计方案
相控阵天线设计方案一、相控阵天线需求分析1.天线应用场景图1-(a)图1-(b)如图1所示，定义XOY平面为天线安装面，天线采用平板结构外形，与天花板共形安装。
为了实现AP的远距离覆盖能力，天线需要在天花板平面具备高增益特性；在AP的高密度部署区域，需要天线波束集中于垂直向下区域，同时窄波束有利于降低AP之间的相互干扰。
由此可知，天线需要具备高增益、大角度覆盖的能力。
2.天线指标要求图25G频段：4.9GHz~5.9GHz在xz/yz面：第一档：theta=90°增益大于5dB第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dBtheta=60°/-60°增益小于-6dB2.4G频段：2.4GHz~2.49GHz在xz/yz面：第一档：theta=90°增益大于3dB第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dBtheta=60°/-60°增益小于-6dB根据图2坐标定义，天线波束需要具备在±90°角度内满足大角度、高增益扫描状态。
图3根据图3阵列布局要求，每个天线子阵采用线阵形式，各自覆盖俯仰0°~90°角度，最终实现整阵对于下半空间的全覆盖。
二、天线设计方案阵列天线的大角度扫描是阵列天线设计的一大难点。
从理论上讲阵列的天线增益满足：阵列增益=单元增益+阵因子增益，天线单元的广角辐射特性决定了阵列波束的宽角扫描特性。
当阵列主波束扫描时，随着扫描角度的不同，其增益也在天线单元方向图的限制范围内改变。
当阵列波束扫描至天线单元的增益降至-3dB 的角度时，阵列增益将减小-3dB。
因此，天线单元的3dB 波束覆盖范围，也是阵列的3dB 波束扫描范围。
相控阵天线有源单元方向图的计算方法
e TE TE
00 00
+
V TM 00
eT M 00
+
z(
¨#
eTM 00
)
jk z 00
exp(- jkz00 z )
( 6)
式( 6) 可以表示为
30
中国 空 间科 学技 术
2009 年 12 月
E( r , H, U) = Cex p(- jkx0 x - jky0 y - jkz 00 z )
图 1 有源单元方向图计算流程
图 2 无限阵示意 图
根据电磁场叠加原理, 上半空间任意一点的场可以表示为
E ] ( r, H, U) =
e- j r
kr
E
a
(
H,
U)
F
(
H,
U)
( 1)
式中 式中
Ea( H, U) 为有源单元方向图表达式; F( H, U) 为阵因子。
]
]
F( H, U) = 2 2 ex p jmc( kx - kx0 ) + jnd ( k y - ky0 ) m = - ] n= - ]
Method for Calculating the Active Element Pattern of the Phased Array Antennas
Du Hailong Yan L ubin ( China Academy of Space Technology , Beijing 100094)
( 7)
C=
{
VTE 00
(
xk
y0
-
yk x0 ) +
V
TM 00
[
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相控阵天线的基础理论
第二章 相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的,主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描,亦称电子扫描阵列ESA 天线;虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种,但相控阵天线均是由多个天线单元,亦称辐射器构成的;天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等;在每个天线单元后端都设置有移相器,用来改变单元之间信号的相位关系,信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现;在扫描过程中,整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动,因此波束指向迅速灵活,且可以实现多波束并行工作,使得雷达具有很强的自适应能力;在相控阵天线的实际使用过程中,线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式;下面分别以这两种形式为例,阐述相控阵天线扫描的基本原理;2.1 相控阵天线扫描的基本原理2.1.1 线性相控阵天线扫描的基本原理线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中;根据基本的阵列类型,线性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列;垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向,天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描;相反,端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向;由于垂射阵应用最为广泛,因此主要讨论垂射阵;图是一个由N 个天线单元组成的线性阵列原理图,天线单元呈均匀排成一线,途中沿y 轴方向按等间距方式分布,天线单元间距为d ;每一个天线单元的激励电流为(i 0,1,2,...N 1)i I =-;每一单元辐射的电场强度与其激励电流i I 成正比;天线单元的方向图函数用(,)i f θϕ表示;图 N 单元线性相控天线阵原理图阵中第i 个天线单元在远区产生的电场强度为：2(,)ij r i i i i i e E K I f r πλθϕ-=式中,i K 为第i 个天线单元辐射场强的比例常数,i r 为第i 个天线单元至观察点的距离,(,)i f θϕ为第i 个天线单元的方向图函数,i I 为第i 个天线单元的激励电流,可以表示成为：B ji i i I a e φ-∆=式中,i a 为幅度加权系数,B φ∆为等间距线阵中,相邻单元之间的馈电相位差,亦称阵内相移值;在线性传播媒质中,电磁场方程是线性方程,满足叠加定理的条件;因此,在远区观察点P 处的总场强E 可以认为是线阵中N 个辐射单元在P 处辐射场强之和,因此有：21100(,)i j r N N i i i i i i i e E E K I f r πλθϕ---====⋅∑∑若各单元比例常数=1i K ,各天线单元方向图(,)i f θϕ相同,则总场强表示为：210(,)i B j r N ji i i i e E f a e r πλφθϕ---∆==⋅∑假设观察点P 距离天线阵足够远,则可认为各天线单元到该点的射线互相平行;根据远场近似：00cos i i y r r r r id α=⎧⎪⎨=-⎪⎩对幅度：对相位： 因为 cos cos sin y αθϕ=将、式带入式,总场强可进一步简化为：21i(dcos sin )0(,)B N j i i E f a eπθϕφλθϕ--∆==∑ 定义式中21i(dcos sin )0(,)B N j i i F a eπθϕφλθϕ--∆==∑为阵列因子,则该式说明了天线方向图的一个重要定理——乘法定理;即阵列天线方向图函数(,)E θϕ等于天线单元方向图函数(,)f θϕ与阵列因子21i(dcos sin )0(,)B N j i i F a eπθϕφλθϕ--∆==∑的乘积;为了便于讨论和易于理解线性相控阵天线扫描原理,通常将图简化为图所示情况;假定天线单元方向图(,)f θϕ足够宽,满足全向性,在线阵天线波束扫描范围内,可忽略其影响时,线阵天线方向图函数可表示为：21i(dsin )0()B N j i i F a eπθφλθ--∆==∑式中,i a 为幅度加权系数,B φ∆为相邻单元之间的馈电相位差,亦称阵内相移值,且2=sin B B d πφθλ∆,B θ为天线波束最大指向;图 N 单元线性相控天线阵简化图 令2sin d πφθλ∆=,它表示相邻单元接收到来自θ方向信号的相位差,可称为相邻单元之间的空间相位差;若令B X φφ∆-∆=,对均匀分布照射函数,1i a =,可得：1()1jNXjX e F eθ-=-,由欧拉公式化简得到： 12sin2()1sin 2N j X N X F e X θ-= 对式取绝对值,考虑到实际线阵中单元数目N 较大,在天线波束指向最大值附近X较小;根据等价无穷小替换,sin 22X X ≈,故得到线阵的幅度方向图函数为： sin (sin sin )sin 2|F()|N (sin sin )2B B N N d X N N N X d πθθλθπθθλ-==- 可见,线性相控阵天线方向图函数|F()|θ是以辛格函数表示的;由此,可以得到线阵天线的基本性能;当02N X =时,|F()|θ有最大值,|F()|1θ=;此时波束指向B θ的表达式为： arcsin()2B B dλθφπ=∆ 由式可知,通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值B φ∆,即可改变天线波束最大值指向;而B φ∆是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的;2.1.2 平面相控阵天线扫描的基本原理平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上,天线波束在方位与仰角两个方向上均可以进行相控扫描的阵列天线;目前,大多数远程、超远程相控阵雷达以及新的三坐标相控阵雷达均采用平面相控阵天线;一个平面相控阵天线可以分解为多个子平面相控阵天线或者分解成多个线阵;相应的,由发射机至各天线单元的信号功率分配网络与由天线单元到接收机之间的功率相加网络也会随之变化;平面相控阵天线单元的排列方式主要有两种：矩形格阵排列和三角形格阵排列,后者可以看成是由两个单元间距较大的按照矩形格阵排列的平面相控阵天线所构成;图所示为平面相控阵天线示意图,天线阵列位于yoz 平面上,共有M N ⨯个天线单元,沿y 方向的N 个阵元以间距y d 均匀排列,沿z 方向的M 个阵元以间距z d 均匀排列,从而形成矩形栅格阵的平面阵;图等间距排列的平面相控阵天线示意图设目标所在方向以方向余弦表示为(cos ,cos ,cos )x y z ααα,则由各天线单元到目标方向之间存在的路程差决定了信号传输过程中的相位差;因此,沿y 轴和z 轴相邻天线单元之间的空间相位差可分别表示为：2cos 2cos y yy z z z d d πφαλπφαλ⎧∆=⎪⎪⎨⎪∆=⎪⎩第(i,k)个单元与第(0,0)个参考单元之间的空间相位差为ik y k i k φφφ∆=∆+∆;若天线阵内由移相器提供的相邻天线单元之间的阵内相位差,沿y 轴与z 轴刻分别表示为：.0.02cos 2cos By y y Bz z z d d πφαλπφαλ⎧∆=⎪⎪⎨⎪∆=⎪⎩式中,.0cos y α与.0cos z α分别表示波束最大值指向的方向余弦;当以球坐标(,)θϕ表示时,根据图可知：.00000cos cos sin cos sin y z αθϕαθ=⎧⎪⎨=⎪⎩ 第(i,k)个单元与第(0,0)个参考单元之间的阵内相位差为Bik By Bz i k φφφ∆=∆+∆;记By αφ=∆,Bz βφ=∆,则Bik i k φαβ∆=+,α、β在此处表示简化的阵内相移值;设第(i,k)个天线单元的幅度加权系数为ik a ,类似于线阵天线方向图函数的求解过程,在忽略天线单元方向图的影响条件下,平面相控阵天线的方向图函数(cos ,cos )y z F αα可表示为：1111[i()k()]()0000(cos ,cos )y z ik Bik y N M N M j j z ik ik i k i k F a ea e φαφβφφαα----∆-+∆-∆-∆======∑∑∑∑考虑到cos cos sin cos sin y z αθϕαθ=⎧⎨=⎩ 将带入中,得到： 2211[i(cos sin )k(sin )]00(,)y z N M j d d ik i k F a eππθϕαθβλλθϕ---+-===∑∑通常情况下,天线照射口径函数为等幅分布,即不进行幅度加权,幅度加权系数1ik a =,满足均匀分布;此时平面相控阵天线的方向图函数可表示为：2211ji(cos sin )k(sin )1200(,)|F (,)||F ()|y z N M d j d i k F ee ππθϕαθβλλθϕθϕθ----===⋅=⋅∑∑式表明,在等幅分布条件下,平面相控阵天线方向图可以看成是两个线阵天线方向图函数的乘积;其中1|F (,)|θϕ表示水平方向线阵的天线方向图,2|F ()|θ是垂直方向线阵的天线方向图;与线阵方向图的推导类似,这里有：122sin (d cos sin )2|(,)|2(d cos sin )22sin (d sin )2|F ()|2(d sin )2y y z z N F N N M M M πθϕαλθϕπθϕαλπθβλθπθβλ⎧-⎪=⎪⎪-⎪⎨⎪-⎪=⎪-⎪⎩由可以看出,分别改变相邻天线单元之间的相位差α、β值,即可实现平面相控阵天线波束的扫描,而α、β值的改变仍然是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的;2.2 相控阵天线的基本构成相控阵天线理论和技术的蓬勃发展,使得相控阵天线在电路设计、结构形式和微波元件及控制方法等方面千差万别29;通常情况下,相控阵天线是由天线阵面、移相器、馈线网络以及相应的控制电路等几部分组成;如果相控阵天线的馈电网络中不含有源电路,则称此天线为无源相控阵天线;如果天线的各个单元通道中含有有源器件,例如信号功率放大器、低噪声放大器、混频器等,则称此天线为有源相控阵天线;2.2.1 天线阵面相控阵天线阵面通常是由几百个到几万个不等的通过相位进行控制的通道激励辐射单元构成;这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等;当这些辐射单元分布于平面上,称为平面相控阵天线；分布于曲面上,称为曲面相控阵天线；如果该曲面与雷达安装平台外形相一致,则成为共形相控阵天线conformal phased array antenna;相控阵天线单元的排列方式主要有矩形格阵排列、三角形格阵排列以及六角形格阵排列等;2.2.2 馈线网络相控阵天线是一个多通道系统,一般均包含大量天线单元,在发射机、接收机与天线阵各单元之间必须有一个多路馈线网络;通过发射机输出端将信号送至天线阵面中各个辐射单元或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收机输入端的过程,称为馈电,而将为阵列中各个天线单元通道提供实现波束扫描或改变波束形状所要求的相位分布称为馈相;其中的馈电方式主要包括强制馈电与空间馈电两种,改变波束形状所要求的各通道激励相位是通过微波器件—移相器实现的;强制馈电constrained feeding 亦成为约束馈电;该系统采用波导、同轴线、板线、微带线等微波传输线实现功率分配与相加网络;由于发射激励信号发射机输出信号以及接收机输入信号均只在传输线中传播,辐射泄漏很小,馈电网络的电磁兼容性容易得到保证;空间馈电亦称光学馈电,主要分为透镜式与反射式两种;与强制馈电相比较,信号场强在传输过程中不是约束在波导、同轴线或者微带传输线中,而是在自由空间传播,因此空间馈电网络实际上是采用空馈的功率分配/相加网络;采用空间馈电具有许多优点;例如,可以省掉许多加工要求严格的高频微波器件,在雷达信号波长较短时,可利用空间馈电形成单脉冲测角所需的和、差多波束,与强制馈电相比具有更为明显的优点;2.2.3 移相器各种不同类型的移相器是相控阵天线馈线网络实现馈相的关键器件,对它的要求是：移相的数值精确、性能稳定；宽频带、大功率容量；便于快速控制等30;移相器主要分为以采用压控变容二极管的场效应晶体管FET 模拟型移相器和以采用PIN 二极管作开关器件的通过式数字型移相器两大类;但是,为了便于计算机对天线波束扫描进行可编程控制,控制电压或者电流信号均是按照二进制方式产生的,移相器的每一位受二进制数字信号中的一位控制;因此,无论模拟型移相器还是数字型移相器,它们提供的相移量均是按照二进制方式变化的,即仍然是离散的,因而在实际使用中,多采用数字式移相器;设数字式移相器位数为k ,k 为正整数,则移相器的最小相移值min B φ∆为：min 22B k πφ∆= 故k 位数字移相器共有2k 种不同移相值,以四位数字移相器为例,如图所示;最小相移值为min 4222.52B πφ∆== ,且高一位移相器的相移量是低一位移相器相移量的2倍;因此,四位数字移相器可以看成是四个相移数值分别为22.54590180、、、的子移相器串联而成;每一位子移相器均受到一位二进制数字信号的控制;其中0对应不移相,1对应移相;图 四位数字式移相器示意图例如,当控制信号编码为0101时,四位数字式移相器产生的相移量为：即控制信号编码为0101时,代表移相器提供112.5的相移量;从理论上讲,当移相器正常工作,不存在故障情况下,四位数字式移相器可提供从0到°范围内,每间隔最小相移值°取一个值,总共可提供42=16种相移值;为了节省无线电元件和电路、为了简化结构和提高可靠性,大多数现代相控阵天线的移相器控制都是以行—列原理为基础;移相器的控制电路可分为两种主要类别;第一类允许独立控制移相器的所有电路,即此种电路内的每一个移相器可以处于任何一种状态而与其余移相器的状态无关;第二类不允许在个别移相器组内有时甚至是全部实现独立控制的电路;在此种情况下,移相器控制码由行和列二进制码的和组成带进位,移相器位于行和列的交点上;有L 种状态的移相器,在通常情况下,它的状态按沿行和列传送的数之和按模L 计算,也就是=()mod L r c L L L +;这样的电路确保同时控制所有的移相器和形成使相控阵天线波束指向任意方向所必需的相位波前;第二类电路比第一类电路速度快,但控制的灵活性较小;2.3 相控阵天线可能的故障类型及影响分析2.3.1 故障类型相控阵天线经常产生的故障是指移相器控制电路的故障30,由于该故障使得移相器或者移相器组的一位或者几位未接通;此外,在有源相控阵天线中,由于通道放大器工作异常,导致辐射器没有激励也是典型故障形式之一;以常见的二进制原理构成的移相器情况为例,来讨论相控阵天线可能的故障类型及其对天线性能的影响;k 位二进制数字式移相器通常是由k 个移相数值不同的离散位亦称子移相器串联构成;每一个离散位都包含两种状态,选通和未选通,对应的传输系数Γ有两个值：221k j m e πΓ=以及00m Γ=,其中1,2...m k =;设相控阵天线含有N 个移相器,移相器状态总数为2k L =;常见的故障类型有两类：一是无激励故障,此时通道激励复振幅{0,1,2...,0,1...1}nl w n N l L ===-;二是离散位失效故障,此时01{1,1,2...}m m m k Γ=Γ==;以三位二进制数字移相器(k 3,8)L ==为例,此时移相器可能的故障类型见图所示;图 三位二进制数字移相器的可能故障类型2.3.2 影响分析故障模式的差异性对相控阵天线的特性参数影响不同;研究故障模式对雷达辐射特性的影响是进行测试诊断的前提和基础,因此必须对相控阵天线的故障模式及影响进行分析;为了验证在所采用的阵列形式中,阵元失效对天线性能的影响程度,采用MATLAB 软件,建立了88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线模型,仿真了当其内部分别含有一个、两个、以及四个故障单元情况下,对天线辐射特性造成的影响;此处采用天线方向图来刻画故障模式的差异性对相控阵天线特性参数的影响程度;所谓天线方向图,是指在离天线一定距离处,辐射特性场强振幅、相位、极化与空间角度关系的图形;完整的方向图是一个三维的空间图形,它是以天线相位中心为球心坐标原点,在半径r 足够大的球面上,逐点测定其辐射特性绘制而成;测量场强振幅,就得到场强方向图；测量功率,就得到功率方向图；测量极化,就得到极化方向图；测量相位,就得到相位方向图,若不另加说明,本论文提及的方向图均指场强振幅方向图;由于三维空间方向图的测绘十分麻烦,实际工作中,一般只需测得水平面和垂直面即XY 平面和XZ 平面的方向图即可;天线方向图是衡量天线性能的重要图形,可以从天线方向图中观察到天线的各项参数,主要包括：主瓣宽度,旁瓣电平,前后比,方向系数等;建立的88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线模型参数如下：天线工作在S 波段,工作频率3f GHz =,x 方向间距为 5.865dx cm =,y 方向间距为 6.517dy cm =,臂长mm l 505.02==λ,半径mm a 5.0=;88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线模型如图所示;图 88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线模型当给天线各个单元施加30dB -泰勒分布激励时,得到88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线无故障、单故障、双故障、四故障情况下的三维立体方向图和二维平面方向图,分别如图~所示;图 无故障情况下半波阵子矩形面阵三维与二维方向图图 单故障情况下半波阵子矩形面阵三维与二维方向图图双障情况下半波阵子矩形面阵三维与二维方向图图 四障情况下半波阵子矩形面阵三维与二维方向图采用电磁仿真软件HFSS,建立88⨯元半波阵子矩形平面相控阵天线模型,参数如前所述;仿真完毕之后利用软件后处理分析功能,得到无故障与三种典型故障的方向图最大增益、最大副瓣电平以及辐射功率等辐射特性参数的变化情况如表1所示;表1 故障前后88⨯元面阵辐射特性变化统计由表1可知,随着故障单元个数的增多,无论阵面出现的是单故障,还是多故障,都会使天线的增益下降,最大副瓣电平抬高,辐射功率降低,即使得天线的辐射特性变差;在排除测量误差的前提下,通过比对正常与故障情况下天线方向图的差异性,为后续进行测试诊断工作提供了一条简便直观的有效途径;。
相控阵角度偏差计算公式
相控阵角度偏差计算公式相控阵是一种利用多个天线单元进行波束形成的技术，通过调控每个天线单元的相位和幅度，实现波束的指向控制。
在实际应用中，我们常常需要计算相控阵的角度偏差，以便对波束进行准确定位。
相控阵角度偏差计算公式是计算相控阵指向角度与实际目标角度之间的差异的数学表达式。
该公式可以帮助我们更好地了解相控阵系统的性能，并对波束进行精确的指向控制。
下面将介绍相控阵角度偏差计算公式的具体内容。
在相控阵系统中，通常会使用线性阵列来实现波束的指向控制。
线性阵列由一系列等间距排列的天线单元组成，每个天线单元都可以独立地调节相位和幅度。
为了简化问题，我们假设线性阵列中的天线单元数量为N，天线单元之间的间距为d。
对于一个线性阵列来说，波束的指向角度可以通过调节每个天线单元的相位来实现。
假设波束的指向角度为θ，那么线性阵列中第i个天线单元的相位可以表示为φ_i。
根据几何光学的原理，波束的指向角度与天线单元的相位之间存在如下关系：φ_i = 2πdi*sin(θ)/λ其中，λ为波长。
根据上述公式，我们可以计算出线性阵列中每个天线单元的相位。
在实际应用中，我们常常需要将波束指向目标角度。
假设实际目标角度为θ_t，那么波束的角度偏差可以表示为：Δθ = θ - θ_t根据上述公式，我们可以计算出波束的角度偏差。
波束的角度偏差可以帮助我们评估相控阵系统的性能，判断系统是否能够准确地将波束指向目标角度。
在实际的相控阵应用中，我们通常会考虑到其他因素对角度偏差的影响。
例如，天线单元之间的互相干扰、天线单元的非理想特性等。
这些因素都可能导致波束的角度偏差增大，影响系统的准确性。
因此，在实际应用中，我们需要综合考虑这些因素，对角度偏差进行修正。
总结一下，相控阵角度偏差计算公式是计算相控阵指向角度与实际目标角度之间的差异的数学表达式。
该公式可以帮助我们评估相控阵系统的性能，并对波束进行精确的指向控制。
在实际应用中，我们还需要考虑其他因素对角度偏差的影响，并对角度偏差进行修正。
5g微带阵列天线
5G 微带阵列天线要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。
评分标准： 良：带宽〈7%优：带宽〉7%且效率大于60%1微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：121()2r c w f ε-+=式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质的导波波长，即为：e λ=考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：2L L =-∆式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。
它们可以分别用下式计算，即为：1211(112)22r r e h wεεε-+-=++(0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)eew hL hw hεε++∆=-+2.单元的仿真由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm。
采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：图1 单元模型此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm时，阻抗匹配最好。
另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm。
仿真结果图如图2，图3所示。
图2 S11参数图3 增益图从图中可以看出谐振点为5GHz，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB。
2. 2×2阵列设计设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。
图4 2×2微带天线阵列图5 S11参数由S11参数可以看到2×2阵列天线谐振点为5GHz，且此时的S11=-19dB，说明反射损耗小，匹配良好。
相对带宽约为2.8%。
图6 方向图由方向图可以看出2×2阵列天线的增益为13.96dB,第一副瓣电平为-10.6dB，可知组阵能使天线的增益变高。
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单个阵子天线尺寸
介质εr=2.33
选择模板
修改工作面属性
创建介质方块
创建接地面
创建贴片天线
创建同轴线介质芯
创建同轴线金属内导体
定义波端口
设置频率、边界和远场监视器
瞬态时域求解
端口时域信号
S参数
端口场
远场
相控阵天线计算的三种方法
第一种方法
第一种方法
第一种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
第二种方法
选择Results-Combine Results法
第三种方法
第三种方法
三种方法之总结
• 由单个天线计算天线阵：
–未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。
• 由整体模型单独串行激励计算辐射场：
–计算仅涉及天线结构之间的相互影响。
• 整体模型，同时激励；
–同时涉及结构和激励的相互影响。
练习：偶极子相控阵天线的计算
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