相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

时间:2022-03-11作者:佚名

简介

在第一部分中,我们介绍了相控阵概念、波束转向和阵列增益。在第二部分中,我们讨论了栅瓣和波束斜视概念。在这第三部分中,我们首先讨论天线旁瓣,以及锥削对整个阵列的影响。锥削就是操控单个元件的振幅对整体天线响应的影响。

在第一部分中未应用锥削,且从图中可以看出第一旁瓣为–13 dBc。锥削提供了一种减少天线旁瓣的方法,但会降低天线增益和主瓣波束宽度。在简要介绍锥削之后,我们会详细说明与天线增益相关的几个要点。

傅里叶变换:矩形函数 ↔ sinc函数

在电气工程中,有各种不同的方法可以将一个域中的矩形函数转变为另一个域中的sinc函数。最常见的形式是时域中的矩形脉冲转换成sinc函数的频谱分量。这个转换过程是可逆的,在宽带应用中,宽带波形也可以转换为时域中的窄脉冲。相控阵天线也具有类似的特性:沿阵列平面轴的矩形加权按照正弦函数辐射方向图。

应用到此特性,以sinc函数表示的第一旁瓣只有-13dBc是有问题的。图1显示了这个原理。

相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

图1.时域中的矩形脉冲在频域中产生正弦函数,第一旁瓣仅为–13 dBc。

锥削(或加权)

要解决旁瓣问题,可以在整个矩形脉冲内使用加权处理。这在FFT中很常见,相控阵中的锥削选项则是直接模拟了FFT中加权。遗憾的是,加权也是存在缺点的,它虽然实现了减少旁瓣但需要以加宽主瓣为代价。图2显示了一些加权函数示例。

相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

图2.加权函数示例。

波形与天线类比

从时间到频率的转换是很平常的,大多数电气工程师自然会明白。但是,对于刚接触相控阵的工程师来说,如何使用天线方向图类比在一开始并不明确。为此,我们用场域激励代替时域信号,并用空间域代替频域输出。

时域 → 场域

v(t)—电压是时间的函数

E(x)—场强与孔径中的位置呈函数关系

频域 → 空间域

Y(f)—功率谱密度是频率的函数

G(q)—天线增益是角度的函数

图3显示了这些原理。在这里,我们比较了阵列中应用两种不同加权的辐射能量。图3a和图3c显示场域。每个点表示这个N = 16阵列中一个元件的振幅。在天线之外,没有辐射能量,辐射从天线边缘开始。在图3a中,场强出现突变,而在图3c中,场强随着距离天线边缘的距离增大而逐渐增大。对辐射能量造成的影响分别如图3b和图3d所示。

相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

图3.显示变窄元件转化为辐射能量加权的图表;

(A)对所有元件使用统一加权;(b)正弦函数在空间内辐射;(c)对所有元件使用海明窗加权处理;以及(d)以加宽主波束为代价,将辐射旁瓣降低到40 dBc。

在下一节中,我们将介绍影响天线方向图性能的两种附加误差项。第一种是互耦。在本文中,我们只是提出存在此问题,并且给出用于量化此影响的EM模型的数量。第二种是由于在相移控制中精度有限而产生的量化旁瓣。我们对量化误差进行了更深入地处理,并对量化旁瓣进行了量化。

互耦误差

这里讨论的所有方程和阵列因子图都假设元件是相同的,并且每个元件都具有相同的辐射方向图。但事实并非如此。其中一个原因是互耦,即相邻元件之间耦合。元件分散在阵列中与元件彼此紧密排列相比,其辐射性能会发生很大变化。位于阵列边缘的元件和位于阵列中心的元件所处的环境不同。此外,当波束转向时,元件之间的互耦也会改变。所有这些影响会产生一个附加的误差项,需要天线设计人员加以考虑,在实际设计中,需要花大量精力使用电磁仿真器来表征这些条件下的辐射影响。

波束角度分辨率和量化旁瓣

相控阵天线还有另一个缺陷,用于波束转向的时间延迟单元或移相器的分辨率是有限的。这通常利用离散时间(或相位)步长来实现数字控制。但是,如何确定延迟单元或移向器的分辨率或位数,以达到的所需的波束质量呢?

与常见的理解相反,波束角度分辨率并不等于移相器的分辨率。从方程式1(第二部分中的方程式2)中,我们可以看出这样的关系:

相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

我们可以用整个阵列中的相移来表达这种关系,需要将阵列宽度D替换为元件间隔d。然后如果我们将移相器ΦLSB 替换为∆Φ,我们可以粗略估算波束角度分辨率。对于N个元件以半个波长间隔排列的线性阵列来说,波束角度分辨率如方程式2所示。

相控阵天线方向图——第3部分:旁瓣和锥削

这是背离瞄准线的波束角度分辨率,描述了当阵列的一半相移为零,另一半的相移为移相器的LSB时的波束角度。如果不到一半的阵列通过编程达到相位LSB,则角度可能更小。图4显示使用2位移相器的30元件阵列的波束角度(相位LSB逐渐增加)。注意,波束角度增加,直到一半元件移相LSB,然后在所有元件移相LSB时归零。当波束角度通过阵列中的相位差而变化时,这是有意义的。注意,正如前面计算的那样,此特性的峰值为θRES。

相关阅读

城市广场照明的重要性

城市广场照明,是城市道路照明 的一个重要部分,因广场本身的性质和功能不同,其照明要求也有所不同。它与各种级别道路照明既有功能上的相同点,又有不同之处。如果我们将不同...
2022-07-15

园林景观照明的几种照明方式解析

我们知道,灯光用于照亮周围的事物,但是夜晚的园林并不希望它所有的一切都被照亮。园林需要灯光,是因为希望在灯光创造的光影中,让园林中意欲显现各自特色的道路、建筑、雕...
2022-07-15

户外灯光照明设计必须和环境风格一致

户外灯光照明设计是营造夜间光环境的一个重要环节,也是实现夜晚空间构思的前提。 好的户外灯光照明设计应该准确分析和把握环境的本质,照明方式的选择应该与环境融为一体,使...
2022-09-04
户外灯光照明设计必须和环境风格一致

想让门头亮化工程表现的有层次感,亮化公司要这样做

为了更好地展示不同的建筑可以表现出不同的特点,而且具有造型之分,根据建筑的不同造型,打造不同的门头亮化工程,进而营造吸引人流量的效果。 一、门头亮化工程的具体体现:...
2022-08-22
想让门头亮化工程表现的有层次感,亮化公司要这样做

园林景观照明设计的原则

1 艺术化原则 园林景观照明 是集功能照明和装饰照明于一体的照明体系。景观照明设计 要与整个园林规划相一致,充分运用明与暗、虚与实、光与影、动与静、冷与暖等现代照明技术...
2022-07-15

热销商品

氟胶O型圈耐高温密封圈线径1-10mm现货可订做大尺寸胶圈非标异形

氟胶O型圈采用高性能氟橡胶(FKM)材料制成,具有卓越的耐高温、耐油、耐化学腐蚀性能,长期使用温度可达200℃以上,短期可耐受250℃高温。线径规格覆盖1–10mm,现货充足,支...
¥ 0.4

鸿雁开关插座面板奶油风哑光五孔插座多孔16A面板X5Pro可可蛋奶

鸿雁开关插座面板奶油风哑光多孔16A面板X5Pro可可蛋奶,是一款具有奶油风格设计的哑光五孔插座。这款面板采用了高品质的材料制作而成,外观时尚大方,颜色柔和,给人一种...
¥ 7.08

正泰官方旗舰店开关插座家用暗装墙壁一开五孔面板多孔X1奶油6C白

正泰官方旗舰店推出的这款一开五孔面板,是您家庭装修的理想选择。产品采用奶油6C白色彩,简约大方,能够完美融入各种家居风格。开关功能灵敏可靠,插座孔位设计合理,满足...
¥ 5.3

U型耐高温包边条玻璃不锈钢边缘防划伤密封条铁板钣金防护防撞条

U型耐高温包边条是一款专为玻璃、不锈钢、铁板及钣金边缘设计的防护密封条,采用优质硅胶或耐高温橡胶材质,具备优异的耐高温、抗老化、防划伤和防撞性能。其U型结构...
¥ 3

黑色硅胶垫片圆形防水密封圈螺丝平垫耐高温减震缓冲四分平垫定制

黑色硅胶垫片圆形防水密封圈,专为四分螺丝配套设计,采用优质耐高温硅胶材料制成,具备优异的防水、密封、减震与缓冲性能。其圆形平垫结构紧密贴合连接面,有效防止液体...
¥ 1.7

网站栏目