相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

时间:2022-03-11作者:佚名

简介

关于相控阵天线方向图,我们将分三部分介绍,这是第二篇文章。 在第一部分中,我们介绍了相控阵转向概念,并查看了影响阵列增益的因素。在第二部分,我们将讨论栅瓣和波束斜视。栅瓣很难可视化,所以我们利用它们与数字转换器中信号混叠的相似性,将栅瓣想象为空间混叠。接下来,我们探讨波束斜视的问题。波束斜视是我们使用相移,而不是使用真实时间延迟来使波束转向时,天线在频段范围内无聚焦的现象。我们还将讨论这两种转向方法之间的权衡取舍,并了解波束斜视对典型系统的影响。

栅瓣简介

到目前为止,我们只见过元件间隔为d = λ/2这种情况。图1开始说明为什么λ/2的元件间隔在相控阵中如此常见。图中共显示两种情况。首先,是蓝色线条,重复显示第1部分图11中的30°图。接下来,d/λ间隔增加到0.7,以显示天线方向如何变化。注意,随着间隔增加,波束宽度减小,这是一个积极现象。零值间隔减小使它们的距离更接近,这也可以接受。但是现在出现了第二个角度,在本例中为–70°,在该角度下出现了全阵列增益。这是最为不利的情况。这种天线增益复制被定义为一个栅瓣,可以被认为是空间混叠。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

图1.在两种不同的d/λ间隔下,32元件线性阵列的标准化阵列因子。

采样系统的类比

为实现栅瓣可视化,可以将其类比为采样系统中的混叠现象。在模数转换器(ADC)中,接收器结构通常会对频率进行欠采样。欠采样包括有意降低采样率(fS),通过采样过程将高于fS/2的频率(较高的奈奎斯特区)转换为第一个奈奎斯特区的混叠。这使得这些较高频率看起来似乎在ADC输出端为较低频率。

可以考虑在相控阵中采用类似的类比方法,在该阵列中,由元件对波前进行空间采样。如果我们建议为了避免混叠,对每个波长实施两次采样(即元件),那么奈奎斯特准则可以扩展应用到空间区域。因此,如果元件间隔大于λ/2,我们可以考虑这种空间混叠。

计算栅瓣出现的位置

但是这些空间混叠(栅瓣)会出现在哪里?在第1部分中,我们展示了整个阵列中元件的相移与波束角度之间的函数关系。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

反过来,我们可以根据与相移的函数关系来计算波束角度。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

arcsin函数只产生-1和 1之间的实数解。在这些范围之外,无法得到实数解,电子数据表软件中会出现“#NUM!”。还要注意,方程2中的相位呈周期性,每隔2π重复一次。所以,我们可以使用(m × 2π ∆Φ)取代波束转向公式中的∆Φ,进而得出公式3。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

其中m = 0、±1、±2…

为了避免栅瓣,我们的目标是获得单一实数解。从数学上讲,这通过使下式成立来实现

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

如果我们这样做,那么所有的空间图像(即m =±1、±2等)将产生非实数arcsin结果,我们可以忽略它们。但如果我们不能这样做,那么某些m > 0的值会产生实数arcsin结果,那么我们会得出多个解:栅瓣。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

图2.arcsin函数在栅瓣中的应用。

d > λ和λ = 0°的栅瓣

让我们尝试通过一些示例来更好地说明这一点。首先,考虑机械轴线校准示例,其中θ = 0,所以∆Φ = 0。然后,将公式3简化为公式5。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

通过这种简化,可以明显看出,如果λ/d > 1,那么只有当m = 0,才可以得出在–1和 1之间的参数。这个参数就是0,且arcsin(0) = 0°,也就是机械轴线校准角度。这就是我们期望获得的结果。此外,m ≥ 1时,arcsin参数会非常大(>1),不会得出实数结果。我们可以看到,θ = 0和d < λ时,没有栅瓣。

但是,如果d > λ(使得λ/d < 1),则会存在多个解和栅瓣。例如,如果λ/d = 0.66(即d = 1.5λ),则m = 0和m = ±1时存在arcsin实数解。m = ±1是第二个解,是所需信号的空间混叠。因此,我们会看到三个主瓣,分别位于arcsin(0×0.66)、arcsin(1×0.66)和arcsin(-1×0.66),每个的振幅都大约相等。如果用度数表示,这些角度为0°和±41.3°。事实上,这就是图3中的阵列因子图所示的内容。

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

图3.d/λ = 1.5、N = 8时,轴线校准的阵列因子。

λ/2 < d < λ时的栅瓣

在简化栅瓣方程(方程5)时,我们选择只看机械轴线校准(∆Φ= 0)。我们还看到,在机械轴线校准时,d < λ时不会出现栅瓣。但是从采样理论类比中,我们知道,当间隔大于λ/2时,会出现一些类型的栅瓣。所以,当λ/2 < d < λ时,栅瓣在什么位置?

首先,回顾一下在第1部分的图4中,相位是如何随转向角度变化的。我们看到,当主瓣偏离机械轴线校准时,∆Φ的范围为0至±π。因此,

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

的范围为

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

|m|≥1时,其值则超出该范围

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

如果我们想要在所有|m| ≥ 1的情况下,保持整个arcsin参数> 1,则会限制最小可允许的λ/d。考虑两种情况:

u 如果λ/d ≥ 2(即d ≤ λ/2),则无论m的值为多少,都不会出现多个解。m > 0的所有解都会导致arcsin参数 > 1。这是唯一避免水平方向出现栅瓣的方法。

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