寬頻帶微帶天線技術(shù)知識(shí)合集2

2.5.1微帶天線陣元的類(lèi)型

可根據(jù)陣的帶寬、極化、方向圖特性（或掃描范圍）、增益和效率等要求以及陣在結(jié)構(gòu)上的要求來(lái)選擇最合適的微帶天線元。微帶天線元大致可分為三類(lèi)：貼片式、縫隙式和不均運(yùn)行微帶線等。

1．貼片式微帶天線

按工作原理可分為諧振式和行波式。諧振式貼片微帶天線作為陣元具有以下一些主要特點(diǎn)。單元本身具有一定的方向性系數(shù)，典型數(shù)據(jù)可達(dá)6dB左右。其效率較高，一般在90％以上。其半功率波束寬度大致在80^o^～100^o^之間。對(duì)于相控陣而言比較適合于最大掃描角在±50^o^以?xún)?nèi)。該形式的天線可工作在線極化、圓極化或變極化。對(duì)方形和圓形貼片，利用相互正交的雙端饋電，在利用功率分配器和移相器以改變兩端激勵(lì)的相對(duì)振幅和相位，就可以構(gòu)成圓極化或變極化。對(duì)接近方形的貼片和橢圓形貼片，利用單端饋電也可以做成圓極化陣元，但不能作成變極化陣元。諧振式貼片具有以下一些缺點(diǎn)。阻抗匹配帶寬較窄，通常在輸入端駐波系數(shù)小于2的帶寬只有百分之幾。當(dāng)掃描范圍大于±60^o^時(shí)，單元方向圖的波束顯得窄了一些，同時(shí)，當(dāng)要求較大掃描范圍時(shí)，為了避免在掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)柵瓣，要求單元間距要較小，這樣貼片尺寸也稍嫌大。這對(duì)將陣元和饋電網(wǎng)絡(luò)都集成在同一介質(zhì)基片上的單面陣就顯得空間擁擠。因此，為了展寬波束或縮小天線尺寸，也常采用λ/4短路矩形貼片作為陣元，它相當(dāng)于矩形貼片的一個(gè)輻射邊短路，而尺寸縮小了1/2。此外，規(guī)則形狀的諧振式貼片單元可以一哦能夠較為準(zhǔn)確的方法分析，已經(jīng)導(dǎo)出各種較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)公式，所以設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便，且減少調(diào)試工作量。

行波式貼片微帶天線一端激勵(lì)，另一端接匹配負(fù)載以保證貼片上電流或其內(nèi)空間場(chǎng)按行波分布。這種天線的特點(diǎn)是阻抗匹配帶寬較寬，但波束最大值指向隨頻率變化。這種天線最大值輻射方向可以設(shè)計(jì)成接近邊射到端射的任一方向。它既可以輻射線極化波，也可以輻射圓極化波，但由于其一部分功率消耗在終端負(fù)載上所以效率較低。

2．縫隙式微帶天線

縫隙天線利用微帶傳輸線激勵(lì)，是在微帶傳輸線接地面上開(kāi)縫，故其輻射是向兩邊的，如果需要單方向輻射，可在離縫高度為λ/4處加金屬反射板。

這種天線的特點(diǎn)是它的阻抗匹配帶寬比諧振式貼片天線要寬，特別是寬矩形縫。這種縫隙天線一般輻射線極化波，對(duì)制造公差要求比貼片式要小，用于陣元時(shí)量輻射元之間的隔離比貼片式要好，但當(dāng)要求單方向輻射時(shí)，這種天線的厚度比貼片式天線要大。同時(shí)分析和設(shè)計(jì)這種天線要比貼片式困難一些，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播接收陣的陣元。

3.不均勻性微帶線

微帶線不均勻性是另一大類(lèi)廣泛應(yīng)用的天線陣元。它通常是利用在微帶傳輸線上進(jìn)行切割、突變或彎曲等方式形成輻射。

這類(lèi)天線用作陣元的特點(diǎn)是阻抗匹配頻帶較寬，快點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而緊湊。構(gòu)成陣的波束指向一般可設(shè)計(jì)在任何方向上。其缺點(diǎn)就是波束指向隨頻率變化較靈敏。由于是行波饋電，陣的效率不高。

2.5.2排列柵格和陣形

柵格一般有兩種排列方式：一是矩形柵格排列；二是三角形柵格排列。在矩形柵格的單元位置中，只有當(dāng)（m＋n）為偶數(shù)的位置中放置輻射單元，才組成三角形柵格。

對(duì)于同樣的柵格抑制，矩形柵格排列比三角形柵格排列單元數(shù)多（比柵格為等邊三角形時(shí)多16％）。輻射單元少，意味著成本降低。另外柵格間距的增加，有利于輻射單元的安裝。因此，三角形排列采用的較多。

外觀形狀為矩形或正方形的陣列最常見(jiàn)，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，其尺寸大小由主瓣寬度決定。均勻幅度的矩形陣，第一旁瓣電平可高達(dá)－13.2dB，抗干擾性能不好，這是最大的缺點(diǎn)。

把矩形陣改為圓形陣，在均勻幅度時(shí)，第一旁瓣電平可降至－17.6dB，圓形陣多采用正方形柵格。

用三角形柵格可排列成正六角形陣，這樣的排列可有效的減少相控陣天線單元數(shù)目，降低雷達(dá)的造價(jià)。

當(dāng)掃描角θ≥60^o^時(shí)，平面陣會(huì)受到柵瓣的影響而難以實(shí)現(xiàn)，利用球面的自然對(duì)稱(chēng)性，能在較寬的角度范圍內(nèi)保持天線方向圖和增益的均勻性，同時(shí)可克服寬角度下阻抗失配的影響。因此，將陣列單元排列在一個(gè)球面上構(gòu)成球形陣，可改善角掃描性能。

對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，為了便于安裝，減小阻力和覆蓋盡可能寬的立體角，要求陣面的形狀與機(jī)體表面形狀一致，這就是所謂的共形陣。

圖2.5 三角形柵格

2.6 電磁波的極化

電場(chǎng)強(qiáng)度E的方向隨時(shí)間變化的方式稱(chēng)為電磁波的極化。根據(jù)E矢量的端點(diǎn)軌跡形狀，電磁波的極化可分為三種：線極化、圓極化和橢圓極化。

兩個(gè)相位相差π/2，振幅相等的空間上正交的線極化波，可合成一個(gè)圓極化波；反之也成立。兩個(gè)旋向相反，振幅相等的圓極化波可以合成一個(gè)線極化波，反之亦然。

橢圓長(zhǎng)軸對(duì)x軸的夾角τ稱(chēng)為極化橢圓的傾角，長(zhǎng)軸與短軸的比值稱(chēng)為軸比，極化橢圓的軸比、傾角以及旋向是描述極化特性的三個(gè)特征量。線極化（軸比→∞）和圓極化（軸比等于1）都是橢圓極化的特例，旋向以傳播方向z為參考，它直接由相位差φ決定，若φ在第一二象限，則為左旋波，若φ在三四象限，則為右旋波。

兩個(gè)空間上正交的線極化波可以合成為一個(gè)橢圓極化波，反之亦然。兩個(gè)旋向相反的圓極化波可以合成一個(gè)橢圓極化波，反之亦然。

圓極化波具有兩個(gè)與應(yīng)用相關(guān)的重要特性：

1）當(dāng)圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)（如平面、球面等）上時(shí)，反射波變?yōu)榉葱虻牟?，即左旋變右旋，右旋變左旋?/p>

2）天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不接收右旋圓極化波，反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波，這稱(chēng)為圓極化天線的旋轉(zhuǎn)正交性。

根據(jù)這些特性，在雨霧天氣里，雷達(dá)采用圓極化波工作將具有抑制雨霧干擾的能力。因?yàn)樗c(diǎn)近似球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的，不會(huì)被雷達(dá)天線所接收。而雷達(dá)目標(biāo)（如飛機(jī)、船艦、坦克等）一般是非簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)體，其反射波是橢圓極化波，必有同旋向的圓極化成分，因而能被收到。由于一個(gè)線極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波，這樣，不同取向的線極化波都可由圓極化天線收到，因此，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中都采用圓極化天線進(jìn)行電子偵察和實(shí)施電子干擾，同樣，圓極化天線也有很多民用方面的應(yīng)用。

**第三章 **微帶天線的饋電方法

天線是一種能量變換器，發(fā)射天線把發(fā)射機(jī)輸出回路的高頻交流電能變?yōu)檩椛潆姶拍?，即變?yōu)榭臻g電磁波。相反，接收天線把到達(dá)的空間電磁波變?yōu)楦哳l交流電能，傳送到接收機(jī)的輸入回路。從發(fā)射機(jī)到天線以及從天線到接收機(jī)之間的連接是依靠饋線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

傳輸線（或饋電線）系指將高頻交流電能從電路的某一段傳送到另一段的設(shè)備。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)傳輸線有以下要求：

1）傳輸線應(yīng)具有最小的能量損耗。這些損耗包括導(dǎo)線中電阻產(chǎn)生的能量輻射、導(dǎo)線間介質(zhì)中所產(chǎn)生的介質(zhì)損耗，以及發(fā)射到外部空間的輻射損耗。

2）沿線路允許傳輸?shù)膸拑?nèi)高頻振蕩功率應(yīng)盡可能大

3）傳輸線不應(yīng)改變天線的方向圖特性。因此必須消除傳輸線上的能量輻射。要消除這種“天線效應(yīng)”，必須在所給的工作波長(zhǎng)下選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斁€形式和幾何結(jié)構(gòu)。

4）傳輸線的電參量應(yīng)穩(wěn)定到這樣的程度，以至于外部媒質(zhì)的溫度、濕度和壓力的改變，以及機(jī)械振動(dòng)和其它不穩(wěn)定因素均不影響到天線設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

5）傳輸線應(yīng)有適當(dāng)?shù)某叽绾椭亓?/p>

6）傳輸線應(yīng)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，便于裝配。在制造上也要盡可能的簡(jiǎn)單，使用中要考慮到傳輸線的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗時(shí)，其工作在行波狀態(tài)，傳輸效率最高，功率容量也最大；且傳輸線的輸入阻抗呈電阻性，它的大小不會(huì)隨頻率而變化，這樣便于與發(fā)射機(jī)調(diào)諧匹配。因此，希望傳輸線工作在行波狀態(tài)。但是，在無(wú)線電收發(fā)設(shè)備中，傳輸線的終端負(fù)載是天線，而天線的輸入阻抗是隨頻率而變化的，在工作波段內(nèi)呈現(xiàn)為復(fù)阻抗性質(zhì)。因此就要在傳輸線末端與天線之間加上一個(gè)“匹配裝置”，使得天線阻抗經(jīng)過(guò)匹配裝置的變換作用后，與傳輸線的特性阻抗相等，從而使傳輸線工作在行波狀態(tài)或稱(chēng)為匹配。

3.1 微帶單元天線饋電

兩種基本方式：一是用微帶線饋電；二是用同軸線饋電

3.1.1微帶線饋電

用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便光刻，制作簡(jiǎn)便。但是饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線方向圖，降低增益。為此一般要求微帶線寬度w不能寬，希望w ＜λ。還要求微帶天線特性阻抗Ze要高些或基片厚度h要小，介電常數(shù)εr要大。

天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋電點(diǎn)沿矩形貼片的兩邊移動(dòng)時(shí)，天線諧振電阻變換。對(duì)于TM10模，饋電點(diǎn)沿饋電邊（x軸）移動(dòng)時(shí)阻抗調(diào)節(jié)范圍很大。微帶線也可通過(guò)間隔伸入貼片內(nèi)部，以獲得所需阻抗。

饋電點(diǎn)位置的改變將使饋線與天線間的耦合改變，因而使諧振頻率有一個(gè)小的漂移，但是方向圖一般不會(huì)受影響（只要仍保證主模工作）。頻率的小漂移可通過(guò)稍稍修改貼片尺寸來(lái)補(bǔ)償。

在理論計(jì)算中，微帶饋源的模型可等效威嚴(yán)z軸方向的一個(gè)薄電流片，其背后為空腔磁臂，為計(jì)入邊緣效應(yīng)，此電流片的寬度d0比微帶寬度w寬（取有效寬度）。

微帶饋線本身的激勵(lì)往往利用同軸－微帶過(guò)渡。有兩種形式：垂直過(guò)渡（底饋）和平行過(guò)渡（邊饋）。

3.1.2同軸線饋電

用同軸線饋電的優(yōu)點(diǎn)有：1）饋電點(diǎn)可以選在貼片內(nèi)任意所需位置，便于匹配。2）同軸電纜置于接地板上方，避免了對(duì)天線輻射的影響。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不便于集成，制作麻煩。

這種饋源的理論模型，可表示為z向電流圓柱和接地板上同軸開(kāi)口處的小磁流環(huán)。其簡(jiǎn)化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓柱中心的電流片來(lái)等效電流柱。一種更嚴(yán)格的處理是把接地板上的同軸開(kāi)口作為傳TEM波的激勵(lì)源，而把圓柱探針的效應(yīng)按邊界條件來(lái)處理。

天線設(shè)備作為一個(gè)單口元件，在輸入端面上常體現(xiàn)為一個(gè)阻抗元件或等效阻抗元件，與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問(wèn)題。

微帶輻射器的輸入阻抗或輸入導(dǎo)納是一個(gè)基本參數(shù)，因此應(yīng)精確的知道輸入導(dǎo)納，以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。

由于對(duì)大多數(shù)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的傳輸線模型給出的結(jié)果已經(jīng)足夠滿意，很多文獻(xiàn)都給出了用傳輸線模型計(jì)算微帶天線輸入阻抗的方法，但由不同文獻(xiàn)給出的方法計(jì)算出的值相差較大。

3.1.3電磁耦合型饋電

結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是貼片（無(wú)接觸）饋電，可利用饋線本身，也可通過(guò)一個(gè)口徑（縫隙）來(lái)形成饋線與天線間的電磁耦合。因此可統(tǒng)稱(chēng)為貼片式饋電。這對(duì)多層陣中的層間連接問(wèn)題，是一種有效的解決方法，并且大多數(shù)能獲得寬頻帶的駐波特性。

利用口徑耦合的電磁耦合型饋電結(jié)構(gòu)是把貼片印制在天線基片上，然后置放在刻蝕有微帶饋線的饋源基片上，二者之間有一帶有矩形縫隙的金屬底板。微帶線通過(guò)此口徑來(lái)對(duì)貼片饋電?？趶匠叽鐚⒖刂朴绅伨€至貼片的耦合，采用長(zhǎng)度上比貼片稍小的口徑一般可獲得滿意的匹配。

3.2 陣的饋電形式與設(shè)計(jì)

陣的饋電網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是保證各陣元所要求的激勵(lì)振幅和相位，以便形成所要求的方向圖，或者使天線性能各項(xiàng)指標(biāo)最佳。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。陣的饋電形式主要有并饋和串饋兩種形式，也有這兩種形式的組合。

3.2.1并聯(lián)饋電

并聯(lián)饋電是利用若干個(gè)功率分配器，將輸入功率分配到各個(gè)陣元。功率分配器可以分成兩路、三路或多路。但為了使饋電結(jié)構(gòu)中最大和最小阻抗之比最小，通常采用兩路功率分配器。

對(duì)于并聯(lián)饋電陣，當(dāng)所有陣元相同時(shí)，各元所要求的振幅分布可以利用改變功率分配器的各路功率分配比來(lái)實(shí)現(xiàn)，而各陣元所要求的相位分布，可采用控制各路饋電線長(zhǎng)度或附加移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)于同相陣，則可以利用各路饋線等長(zhǎng)或相差饋線波長(zhǎng)的整數(shù)倍來(lái)保證各元同相激勵(lì)。對(duì)于相控陣同相則要求采用電控移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描所要求的相位分布。對(duì)功率分配器除要保證功率分配比外，還要求各路輸出端之間有較好的隔離。

并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單和直接的。當(dāng)選定陣元的形式和尺寸后，根據(jù)各元所要求的激勵(lì)振幅和相位，考慮到互耦的影響，可計(jì)算出各元的輸入阻抗。已知陣元的輸入阻抗，所要求的激勵(lì)振幅和相位后，就可以設(shè)計(jì)功率分配器和饋線的布局（要考慮長(zhǎng)度以保證相位）。

并聯(lián)饋電微帶天線陣的陣元較少時(shí)，通?？蓪⑽Чβ史峙淦骱宛伨€與陣元都集成在同一塊介質(zhì)基片上，稱(chēng)為單面陣。當(dāng)陣元數(shù)目較多或陣面空間較擁擠時(shí)，也可以將微帶功率分配器的一部分或全部放在陣面后面，組成多層陣。此時(shí)各元用同軸探針激勵(lì)，或者上下層功率分配器之間用同軸探針相連，為此必須要求各層具有金屬化孔，并要求各層之間嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。陣元數(shù)多時(shí)，需要采用多級(jí)功率分配器，為了減少損耗和提高功率容量，對(duì)靠近輸入端的前面幾級(jí)功率分配器也可采用波導(dǎo)、同軸線或板線式功率分配器和饋線。

并聯(lián)饋電具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，各元所要求的激勵(lì)振幅和相位可以通過(guò)設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋線等長(zhǎng)時(shí)，波束指向與頻率無(wú)關(guān)，所以頻帶寬度主要取決于阻抗匹配的頻帶，比較容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶。這種饋電形式既適用于固定波束陣，又適用于利用電控移相器進(jìn)行波束掃描的相控陣。它的缺點(diǎn)是需要許多功率分配器，饋線總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這不僅占據(jù)了空間，也大大增加了傳輸損耗。同時(shí)，使整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。

3.2.2串聯(lián)饋電

串聯(lián)饋電是將天線陣元用微帶傳輸線串聯(lián)連接起來(lái)，此時(shí)，對(duì)饋電的主傳輸線來(lái)說(shuō)，每一天線陣元都等效為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。所以，從等效網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)來(lái)看，這種饋電形式確切的說(shuō)是一種級(jí)聯(lián)形式的饋電。每一陣元的等效四端網(wǎng)絡(luò)可以有各種形式，它既可以是一個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納，也可以是一串聯(lián)阻抗或更一般形式的T形、∏型或變壓器形式的等效網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于矩形貼片微帶天線元，就可等效為一并聯(lián)導(dǎo)納的四端網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)考慮了互耦影響時(shí)，此并聯(lián)導(dǎo)納又矩形貼片元的自導(dǎo)納加上其它各元的互導(dǎo)納。

串聯(lián)饋電形式，根據(jù)傳輸線終端所接負(fù)載不同，可分為行波串聯(lián)饋電和諧振串聯(lián)饋電。串聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)比并聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些，特別在考慮各元間的互耦影響時(shí)，需要用迭代法來(lái)設(shè)計(jì)，以保證各元所要求的激勵(lì)振幅和相位。

串聯(lián)饋電陣各元所要求的激勵(lì)振幅和相位是通過(guò)改變各天線元尺寸來(lái)達(dá)到的，所以，一個(gè)具有幅度或相位加權(quán)的串聯(lián)陣，各天線元的尺寸一般是不相同的。諧振串聯(lián)饋電無(wú)論從阻抗匹配和方向圖特性來(lái)講，一般都是窄頻帶的。當(dāng)頻率變換時(shí)，由于相位的變化，使波束指向改變。但這種饋電形式效率較高，傳輸損耗也較小，饋電無(wú)論結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又緊湊。行波饋電的阻抗匹配頻帶較寬，但波束指向隨頻率改變，另一缺點(diǎn)是饋電效率較低，因?yàn)樵诮K端負(fù)載上要消耗一部分功率。

串聯(lián)饋電陣與并聯(lián)饋電陣相比，前者饋電電路簡(jiǎn)單，饋線總長(zhǎng)度較短，所以饋線損耗較小。因?yàn)椴恍枰β史峙淦?，所以空間利用也必并聯(lián)饋電要好。行波串聯(lián)饋電陣阻抗匹配頻帶寬。但串聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些。其波束指向隨頻率變化。如果采用中心串聯(lián)饋電，其波束指向?qū)⒉浑S頻率變化。

以上討論的主要是線陣的饋電形式，但也可以推廣應(yīng)用于二維平面陣。對(duì)于二維平面陣的饋電，可以全部采用并饋或串饋，也可以采用一維為并饋，另一維為串饋的組合形式，平面陣除上述饋電形式外，對(duì)于微帶天線元組成的平面陣，還有一種交叉饋電形式，這種饋電形式，還可以通過(guò)改變輻射元線寬度或饋線與輻射元的角度來(lái)達(dá)到幅度加權(quán)的目的。

3.3 相控陣天線的饋電方式

發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)，按一定的幅度分布和相位梯度饋送給陣面上的每一個(gè)天線單元。接收時(shí)，同樣必須將各個(gè)天線單元收到的信號(hào)按一定的幅度和相位要求進(jìn)行加權(quán)，然后加起來(lái)饋送給接收機(jī)。相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，就是使陣面上眾多的天線單元與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)相連接的傳輸系統(tǒng)。各個(gè)天線單元所需要的幅度和相位加權(quán)也是在饋線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。

為了獲得低副瓣相控陣天線，饋線系統(tǒng)提供給每個(gè)天線單元的電流信號(hào)的幅度是不相等的，通常情況下，陣列中間天線單元的信號(hào)電流幅值最大，陣列邊緣單元的電流幅值最小，各天線單元的激勵(lì)電流按一定的幅度分布來(lái)確定。除了自適應(yīng)陣列天線外，對(duì)一般的相控陣，這一幅度分布是固定的，不應(yīng)隨天線波束掃描方向的變化而變化。信號(hào)沿陣列天線口徑的不等幅分布，通常采用不等功率的功率分配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

饋線系統(tǒng)還要保證每個(gè)天線單元激勵(lì)電流的相位符合天線波束掃描指向要求。通常將饋電網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)天線單元提供所需的信號(hào)相位稱(chēng)之為“饋相”，即將對(duì)天線單元信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)中的相位加權(quán)部分稱(chēng)之為“饋相”，“饋相”的方式與饋電網(wǎng)絡(luò)的組成相關(guān)。

對(duì)相控陣的饋電系統(tǒng)有許多要求，其中之一是通過(guò)降低饋線系統(tǒng)的復(fù)雜性來(lái)降低成本。為此，減小移相器和每一移相器所需要的開(kāi)關(guān)組件的數(shù)目、簡(jiǎn)化移相器控制信號(hào)的產(chǎn)生方式以及壓縮移相器控制信號(hào)的數(shù)目等具有重要意義，而這些都是與饋相方式密切相關(guān)的。

由于可將整個(gè)平面陣分成若干個(gè)線陣，每一線陣都被當(dāng)成一個(gè)子天線陣，因此對(duì)平面陣列天線的饋相，可分解成對(duì)若干個(gè)相同子陣和另一子陣的饋相（一個(gè)線陣又可以相應(yīng)地分為若干子陣），這種饋相方式的移相器數(shù)目要增加一個(gè)線陣的單元數(shù)目，但移相器控制信號(hào)容易產(chǎn)生，控制信號(hào)的設(shè)備量也顯著的降低了。

同樣，也可以將“陣內(nèi)相位”矩陣分解為若干個(gè)小的正方形或矩形矩陣，即用若干個(gè)子平面天線陣來(lái)構(gòu)成總的平面陣列。

饋線系統(tǒng)在相控陣天線中占有特別重要的位置。低旁瓣天線對(duì)饋線系統(tǒng)幅度和相位精度的要求是很高的，此外，承受高功率的能力、饋線系統(tǒng)的損耗、測(cè)試和調(diào)整的方便性，以及體積、重量等要求，也是選擇饋電方式時(shí)必須考慮的因素。為了降低成本，還要充分考慮生產(chǎn)的一致性、提高成品率和便于加工等要求，至于是否全部功率分配器都要采用隔離式，還是部分采用隔離式、在哪一級(jí)采用隔離式，這可根據(jù)對(duì)系統(tǒng)駐波、功率隔離以及成本要求等進(jìn)行計(jì)算分析后決定，或?qū)@些要求進(jìn)行折衷考慮。

平面相控陣天線的饋電主要有強(qiáng)制饋電、空間饋電和光學(xué)饋電

3.3.1強(qiáng)制饋電

采用波導(dǎo)、同軸線、板線和微帶線等進(jìn)行功率分配。隨光電子技術(shù)的發(fā)展，也可以采用光纖作為相控陣饋線中的傳輸線，但只能在低功率電平上使用。波導(dǎo)和同軸線用于高功率陣列，低功率部分常用板線、帶線和微帶線。功率分配器有隔離式與非隔離式、等功率分配器與不等功率分配器等多種形式。隔離式功率分配器輸出支臂之間約有20dB隔離度，可以減小由于各傳輸組件之間的反射波引起的干擾，有利于整個(gè)饋線系統(tǒng)獲得低的駐波。當(dāng)隔離式功率分配器的一個(gè)支臂由于開(kāi)路或短路而出現(xiàn)全反射時(shí)，因一半反射功率被隔離臂的吸收負(fù)載所吸收，故有利于保證饋電網(wǎng)絡(luò)的耐功率性能。

3.3.2空間饋電

空間饋電的形式有透鏡式空間饋電和反射式空間饋電等形式。透鏡式空間饋電的天線陣，包括收集陣面和輻射陣面兩部分。收集陣面也稱(chēng)為內(nèi)天線陣面，它由許多天線單元組成，這些天線單元又稱(chēng)為收集單元。它們既可排列在一個(gè)平面上，也可排列在一個(gè)曲面上。在天線陣處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)由照射天線（如波導(dǎo)喇叭天線）照射到內(nèi)天線陣上的收集天線單元，這些收集單元接收照射信號(hào)后，經(jīng)移相器，再傳輸至輻射陣面上的天線單元（也叫輻射單元），然后向空間輻射，對(duì)于有源相控陣天線，經(jīng)過(guò)移相器相移后的信號(hào)，還要再經(jīng)過(guò)功率放大器放大，然后才送給輻射陣面的天線單元。當(dāng)天線陣處于接收狀態(tài)時(shí)，輻射陣面接收從空間目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)，這些信號(hào)送移相器移相后，由收集陣面上的天線單元將其傳輸至陣內(nèi)的接收天線（如由波導(dǎo)喇叭組成的接收天線）。對(duì)于有源相控陣天線，每一輻射單元收到的信號(hào)，要先經(jīng)過(guò)低噪聲放大后再送給移相器，最后才輸入到收集單元，經(jīng)空間輻射到達(dá)陣內(nèi)接收天線。

這種空間饋電方式，實(shí)質(zhì)上采用空潰的功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)，省掉了許多加工要求嚴(yán)格的微波高頻器件。這種饋電方式，對(duì)于高頻和雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)較短的情況（例如S、C、X波段），與強(qiáng)制饋電方式相比，優(yōu)點(diǎn)更為明顯。

反射式空間饋電陣列與透鏡式空間饋電陣列不同，其收集陣面和輻射陣面是同一陣面。這一陣面上各天線單元收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)移相器移相后，被短路傳輸線或開(kāi)路傳輸線全反射。對(duì)于這種陣列，作為初級(jí)饋源的照射喇叭天線，在陣列平面的外邊，即采用前饋方式對(duì)天線陣面進(jìn)行空間饋電。由于采用前饋，初級(jí)饋源的天線對(duì)天線陣面有一定的遮擋效應(yīng)，對(duì)天線口徑增益和對(duì)天線副瓣電平的性能有不利的影響。這種空潰方式，常見(jiàn)的大多是頻率很高（如X、Ku波段）的相控陣戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)。另外，在這種空間饋電陣列中，移相器提供的相移值起了兩次作用，故該值應(yīng)為一半移相器相移值的一半，移相器損耗也增加了一倍。自然，移相器是雙向傳輸型的。

在空間饋電系統(tǒng)中，初級(jí)饋源的照射方向圖為整個(gè)陣面提供了幅度加權(quán)。為了充分利用初級(jí)饋源能量，減小泄漏損失，透鏡內(nèi)天線陣面（收集陣面）的天線單元數(shù)目可適當(dāng)增加，在內(nèi)天線陣面的邊緣部分，可以將幾個(gè)收集單元接收到的信號(hào)相加，在經(jīng)過(guò)移相器相移后送至外天線陣面（輻射陣面）的輻射天線單元。

為了降低相控陣天線的副瓣電平，常采用密度加權(quán)方式，這時(shí)陣面上除有源天線單元外，還設(shè)置了相當(dāng)數(shù)量的無(wú)源單元，對(duì)于空間饋電的陣列天線，外天線也可以設(shè)計(jì)成密度加權(quán)的相控陣天線。

由于天線物理尺寸的限制，初級(jí)饋源與陣面的距離大體等于天線口徑的尺寸，因此，初級(jí)饋源輻射的電磁波是球面波。由球形波到平面波的準(zhǔn)直修正，由改變移相器上的控制碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用改變移相器的相移值來(lái)進(jìn)行修正，也可用準(zhǔn)直延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.3波束躍度與移相器的虛位技術(shù)

相控陣天線波束的相控掃描依靠的是天線陣中的大量移相器，因此，移相器是饋電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵微波元件，與此相應(yīng)，控制移相器的電路也是一個(gè)重要的電路。

按照信號(hào)相位的基本定義：

移相器可在高頻實(shí)現(xiàn)，為便于用計(jì)算機(jī)控制天線波束掃描，計(jì)算機(jī)提供給移相器的控制信號(hào)是二進(jìn)制的經(jīng)過(guò)D/A變換成模擬信號(hào)后送入控制移相器。

對(duì)移相器的要求主要有以下8項(xiàng)，在具體選用時(shí)必須進(jìn)行綜合考慮：

1）承受功率（包括峰值功率與平均功率）的能力

2）頻率特性及帶寬性能

3）低損耗

4）幅度和相位精度、溫度特性和幅度穩(wěn)定性

5）控制特性（對(duì)波束控制驅(qū)動(dòng)器的要求和控制的時(shí)間響應(yīng)）

6）工藝性、一致性和可靠性

7）低成本

8）體積、重量要求

由于移相器要受計(jì)算機(jī)控制，以便實(shí)現(xiàn)相控陣特性波束的高速、無(wú)慣性靈活掃描、因此，數(shù)字式移相器得到了廣泛的應(yīng)用。

采用數(shù)字式移相器時(shí)，移相器的相移量以二進(jìn)制方式改變。當(dāng)數(shù)字式移相器的位數(shù)為K(K為正整數(shù))，則移相器的最小相移量（單位相移量）為ΔφBmin

因此，相控陣特性的波束指向是離散的，隨著掃描角度的增大，相鄰波束之間的間距（波束躍度）增大。這與天線波束隨掃描角度增加而展寬是一致的。為了降低波束躍度，使天線波束掃描接近于機(jī)械式連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)天線時(shí)的情況，需要增加移相器的位數(shù)K。

考慮到雷達(dá)天線波束寬度，波束躍度小于半個(gè)波束寬度是起碼的要求，由此出發(fā)，對(duì)于三坐標(biāo)雷達(dá)，因其波束寬度大體在1度左右，K≥8是完全必要的。對(duì)于相控陣單脈沖跟蹤雷達(dá)，為了能對(duì)目標(biāo)接近于連續(xù)跟蹤，K≥10也是很有必要的，若K＝10，則ΔφBmin=0.35°。顯然，要做這么多位數(shù)的移相器，要保證這樣高的移相精度是不切實(shí)際的。

為了節(jié)省數(shù)字移相器的位數(shù)，同時(shí)保證所需要的小的波束躍度，采用了“虛位技術(shù)”、采用虛位技術(shù)后，增大了移相器的相位量化誤差，對(duì)副瓣電平有不良影響。在同時(shí)要求節(jié)省移相器位數(shù)和降低副瓣電平的情況下，采用“隨機(jī)饋相”方法，當(dāng)移相器的位數(shù)為n時(shí)，對(duì)無(wú)限陣，可使寄生副瓣電平降低到－12×ndB。

為了降低成本，總是希望在不出現(xiàn)柵瓣或由柵瓣引起的寄生副瓣低于一定電平條件下，盡可能的減少天線陣中的移相器的數(shù)目。

縮小天線波束的掃描范圍，有利于減小天線陣中移相器的數(shù)目，因?yàn)樘炀€波束掃描范圍減小后，天線單元的間隔可以拉開(kāi)，此外，對(duì)于實(shí)際的雷達(dá)來(lái)說(shuō)，在某些應(yīng)用情況下，也不要求陣列天線的波束掃描范圍很寬，這時(shí)便可采用有限掃描相控陣天線或小區(qū)域相掃天線。

3.4 固態(tài)功率放大器的阻抗匹配

微波功率晶體管的輸入輸出阻抗很低，且是電抗性的，而功率相加器等傳輸線的特性阻抗通常都選定為50Ω，因此，只有將晶體管的輸入輸出阻抗在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)變換為50Ω，才能獲得良好的阻抗匹配。對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，不管是在集中式大功率發(fā)射機(jī)還是在分散式發(fā)射機(jī)中，功率放大器組件都工作在C類(lèi)狀態(tài)，不需要電真空放大器中所必不可少的調(diào)制器，在高頻輸入信號(hào)到達(dá)晶體管放大器輸入端，并超過(guò)基極－發(fā)射極之間的反向偏置電壓后，該放大器才起放大作用，接待廳才導(dǎo)通。在輸入脈沖信號(hào)由上升前沿至脈沖頂部，在到達(dá)脈沖后沿的整個(gè)脈沖持續(xù)期間，放大器中晶體管的工作狀態(tài)是急劇變化的（由截止到線性、飽和、再截止），因而其輸入輸出阻抗也是變化的，因?yàn)閱渭?jí)放大器的增益只有7dB左右，所以，固態(tài)放大器通常由幾個(gè)單級(jí)放大器連接組成，后面一級(jí)放大器是前面一級(jí)放大器的負(fù)載，一個(gè)單級(jí)放大器的輸入輸出阻抗的變化，將影響其前后兩級(jí)放大器的匹配。

放大器負(fù)載阻抗的變化，與放大器輸入信號(hào)電平及電源電壓的變化一樣，將使放大器輸出信號(hào)的相位發(fā)生變化，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)固態(tài)功率放大器時(shí)，再考慮其幅相一致性的公差要求情況下，應(yīng)對(duì)放大器的負(fù)載阻抗提出相應(yīng)的要求。

放大器末級(jí)輸出端通常接一個(gè)環(huán)流器，使末級(jí)功率放大器與天線負(fù)載之間隔離，以保證末級(jí)功率的負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，這樣，再末級(jí)功放晶體管輸出端與環(huán)流器之間再加上一段匹配傳輸線，便可保證再工作頻帶寬度內(nèi)有良好的負(fù)載阻抗匹配。

在相控陣?yán)走_(dá)中，當(dāng)采用集中式大功率發(fā)射機(jī)或分布式子陣發(fā)射機(jī)方案時(shí)，從發(fā)射機(jī)輸出端至天線陣面都有一個(gè)發(fā)射饋電網(wǎng)絡(luò)，它包括功率分配器、移相器、環(huán)流器、相位微調(diào)和收發(fā)開(kāi)關(guān)等，發(fā)射饋電網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)輸出端口與各天線單元之間也不可能做到完全匹配。天線單元之間的互耦使各天線單元的輸入阻抗不完全一致，且互耦是隨天線波束掃描方向的變化而變化的；另外，在雷達(dá)工作頻帶寬度內(nèi)，饋線各節(jié)點(diǎn)的駐波及單元之間的互耦也是不同的，因此，天線單元的輸入阻抗隨天線單元的位置、天線波束指向和雷達(dá)信號(hào)的頻率而變化，而通常的饋電網(wǎng)絡(luò)中，除一部分相位微調(diào)及幅度微調(diào)器件外，并沒(méi)有可進(jìn)行阻抗匹配的自適應(yīng)調(diào)配器。除了天線單元之間存在互耦外，饋線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)端口或節(jié)點(diǎn)之間也可能存在互耦。

采用集中式發(fā)射機(jī)或子陣式發(fā)射機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)，一部發(fā)射機(jī)要負(fù)責(zé)給整個(gè)發(fā)射相控陣天線或發(fā)射天線子陣饋電。從發(fā)射機(jī)輸出端到每一個(gè)天線單元，必須有一個(gè)發(fā)射饋線系統(tǒng)，將發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功率分配至各個(gè)天線單元，對(duì)于接收相控陣天線，各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)接收饋線系統(tǒng)逐級(jí)相加，然后送至接收機(jī)輸入端，發(fā)射和接收饋線系統(tǒng)都由許多不同的饋線元件如功率分配器、移相器、傳輸線段、調(diào)諧元件、定向耦合器等組成，各個(gè)饋線元件的連接不可能做到完全匹配。這些連接點(diǎn)處，存在電磁波反射。各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的多次反射波，當(dāng)重新到達(dá)天線單元（對(duì)發(fā)射陣）或接收機(jī)輸入端（對(duì)接收機(jī)）時(shí)，這些反射波與主入射波疊加，對(duì)發(fā)射陣來(lái)說(shuō)，使各個(gè)天線單元輻射出去的信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化；對(duì)接收機(jī)而言，則使從各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)輸入端時(shí)產(chǎn)生相位和幅度的起伏，因此，對(duì)于天線的饋電系統(tǒng)是必須要仔細(xì)調(diào)試的。