一种基于共性阵列的低副瓣天线单元极化设计技术研究

曾 浩

摘要不同于平面阵列，对共形天线的电磁特性分析必须将载体的影响进行精确考虑，球面载体带来的天线布局直接影响了天线的辐射特性等，会对天线的方向图带来不可忽略的扰动。为了提高基于共性阵列主波束内极化纯度，减小因极化失配造成链路损耗，本文通过对比线极化单元和圆极化单元在不同指向角度的天线方向图进行仿真，提出适合于基于共性阵列的单元形式和设计方法。

主题词共形天线极化方式低副瓣

1  引言

天线单元为球形全向相控阵天线的重要组成部分,其性能直接影响天线的性能。目前大多数共形阵都是采用的都是线极化天线单元，主要原因是采用线极化单元后，阵列极化方向容易调整，一致性好，交叉极化小，便于形成较理想的主波束。而对于弹载、机载、星载等用于军事及国防通信的共形阵来说，采用圆极化天线无疑比线极化天线更具优势，收发信号不受载体姿势和方位变化的但圆极化天线的交叉极化问题难以解决。

2  天线单元极化分析

在电磁场理论中，任意极化波可由两个旋向相反，具有相同频率和相位系数，但具有不同振幅和初相的圆极化波合成。设有一椭圆极化波，其椭圆取向角为，椭圆长为,短轴为，传播方向为正Z轴，如图1。

图1 极化波分解示意图

则右旋及左旋圆极化波的电场分别是：

                      （1）

其中，和分别为右旋及左旋圆极化波的初相。则该椭圆极化波的合成电场为：

         （2）

由于椭圆半长轴，半短轴，不失一般性，令，则：

                       （3）

将该一般椭圆极化波变化到坐标系，即成为正椭圆极化波：

                      （4）

此时，椭圆取向角，即。则椭圆极化波的合成电场为：

     （5）

忽略时间及空间相位系数，则有：

            （6）

可以看出，式（6）第一项为右旋圆极化分量，第二项为左旋圆极化分量，且左右旋圆极化分量的时间相位，相差。若以右旋圆极化为主极化，则当极化分量补偿相位后变为：

              （7）

    式（7）表明，若对每一个阵元加以相位补偿，可使得在主波束范围内，阵列所有单元主极化分量全部为同相叠加到最优。此外，补偿相位为椭圆极化波等效的两个旋向相反的圆极化波的右旋分量的初相，且，这说明补偿相位和取向角有一定的线性关系，可以通过改变取向角以改变右旋圆极化波的初相，而这一过程可以通过天线单元进行自身角度旋转实现。

天线单元采用线极化微带天线，极化沿Theta方向，图2为天线的增益方向图和轴比。

（a）增益方向图                       （b）轴比

图2 线极化微带天线

单元采用左旋圆极化微带天线，其单元增益和轴比如图3所示：

（a）二维增益方向图              （b）轴比

图3 圆极化微带天线模型

对比采用线极化和圆极化的天线性能如表1。

表1 线极化和圆极化天线单元组阵性能汇总

扫描角 (theta, phi)	线极化		圆极化
	天线增益	副瓣电平	天线增益	副瓣电平
(0,0)	41.1420	-21.5051	44.2339	-19.6062
(15,0)	41.1275	-11.0536	44.0178	-15.8548
(30,0)	41.3826	-15.3934	40.1575	-15.0738
(45,0)	42.3841	-14.3926	43.2500	-15.8813
(60,0)	41.8548	-20.0379	42.2585	-15.4961
(75,0)	40.6615	-12.8648	40.8792	-13.2040
(90,0)	39.7321	-13.3455	39.7333	-13.3383

综上，采用圆极化单元有如下优点：

a）使用圆极化单元阵列增益高于使用线极化单元；

b）使用圆极化单元阵列副瓣电平比使用线极化单元更低；

c）在使用线极化单元时，在向（0°,0°）方向辐射时，总的方向图变为圆极化，在其他角度仍为线极化，而对于圆极化单元，在各个扫描角度下，总方向图始终为圆极化。

3  结论

综上研究结果，采用圆极化天线单元可适用于基于球形阵列天线，效能更优。

参考文献

[1] 丁鹭飞.雷达原理.西安：西安电子科技大学出版社，2004

[2] 张祖稷 金林 束咸荣.雷达天线技术.北京：电子工业出版社，2005