隨機饋相法對相控陣天線增益和指向精度的影響

1、第 2 3卷 第 3 期 2 0 1 4年 6 月 航 天 器 工 程 S P A CEC R A F T E N GI NEERI N G Vo I ． 2 3NO ． 367隨機 饋 相 法對 相控 陣天 線 增 益 和 指 向精 度 的影 響 張勝 輝 余 鵬 程 楊 鵬 陳劫 塵 ( 1航 天恒 星科 技有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 8 6 ) ( 2電子科 技 大學 ， 成都 6 1 1 7 3 1 )摘 要

2、 分別 以 2位和 3位 數(shù) 字移 相 器為例 ， 研 究 了四舍五 入 法 、 適 當隨機 量化 法和預 加相 位 法等 3種 隨機饋 相 法 ， 對均 勻微 帶 直線 陣列 的增 益方 向 圖和波束 指 向精度 的影 響 ， 研 究證 明相 對 于 四舍五 入饋 相 方 法 ， 適 當隨機 量 化 法和預 加相 位 法能 夠極 大地提 高波束指 向精 度 ， 但 是在 移相 器位 數(shù)較 少的情況下增益會有少許損失。研究結果可為大型相

3、控陣天線的設計提供參考。關鍵 詞 相控 陣天線 ； 四舍 五入 法 ； 適 當隨機 量化 法 ； 預加相 位 法 ； 波束指 向精度 中圖分 類號 ： T N9 5文獻標 志碼 ： AD OI ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 — 8 7 4 8 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 1 2I m p a c to fRa nd o m Pha s eFe e d i ngM e t h

4、 o d so nGa i na ndBe a m Po i nt i ngAc c u r a c yo fPha s e dAr r a yAn t e n naZHANG S h e n g h u iYU P e n g c h e n gYANG Pe n g 。CHEN J i e c h e n( 1S p a c eS t a rT e c h n o l o g yC o ．L t d ． ，B e i j

5、i n g1 0 0 0 8 6 ， C h i n a )( 2Un i v e r s i t yo fEl e c t r o n i cS c i e n c ea n dTe c h n o l o g yo fCh i n a ，C h e n g d u611731 ，Ch i n a )Ab s t r a c t ：I nt h i sp a p e r ，t h ei m p a c t so fa p p r o

6、p r i a t er a n d o m p h a s i n gme t h o d，p h a s e — a d d e rme t h o d ，a n dr o u n d i n gp h a s ef e e d i n gme t h o do nt h eg a i na n db e a m p o i n t i n ga c c u r a c yo fau n i f o r m l i n e a

7、 ra r —r a yu s i n g2a n d3 - b i td i g i t a lp h a s es h i f t e ra r es t u d i e d ． I ti ss h o wnt h a tt h ea p p r o p r i a t er a n d o m p h a s i n gm e t h o da n dp h a s e — a d d e rme t h o dc a na c

8、h i e v eamu c hb e t t e rb e a m p o i n t i n ga c c u r a c yt h a nt h er o u n d i n gp h a s ef e e d i n gme t h o d ，wh i l et h e r ewi l lb eal i t t l el o s so ft h eg a i nwh e nu s i n gl e s sb i tp h a

9、s es h i f t e r ．Th i sr e s u l tc a nb eu s e di nt h ed e s i g no fp h a s e da r r a ya n t e n n a s ．Ke ywo r d s ： p h a s e da r r a ya n t e n n a ； p h a s e — a d d e r ； a p p r o p r i a t er a n d o m p

10、h a s i n g； r o u n d i n gp h a s ef e e d i n g；b e a m p o i n t i n ga c c u r a c yl引 言 相 控 陣 天 線 以波 束 掃 描 速度 快 ， 易 于實 現(xiàn) 多 波 束 和 自適應 波束 以及 低 剖 面 等 顯 著優(yōu) 勢 ， 不 僅 在雷 達 領域 ， 也在 通 信 領 域 得 到 越來 越 多 的應 用 。在火 箭 和導 彈等 飛行 器

11、 的高 速 通 信 系 統(tǒng) 中 ， 由于 受 載體 外 形 的限制 ， 不 可能 采用 高增 益 拋物 面天 線 ， 相控 陣 天 線 即成為 不二 選擇 ； 而在 衛(wèi)星 領域 ， 相控 陣 天線也 得 到廣 泛 的應 用 。目前 ， 相 控 陣天線 一般 采用 數(shù)字移 相器 ， 四位 以 上 移相 器是 常用 移相器 ， 移 相器 的位數(shù) 越 多 、 波束 躍 度越 小 、 指 向精 度越 高 。移相 器 的移 相狀 態(tài) 由波 控

12、板控 制 ， 可 以是并 行碼 ， 也可 以是 串行碼 。如果采 用 并行 碼 ， 則移 相器 位數(shù) 越多所 需要 的控 制線 越多 ； 如 果采 用 串行碼 ， 盡 管 在 移 相器 位 數(shù) 增 加 時控 制 線 數(shù) 目不 變 ， 但是 控制 碼下 發(fā) 時間延 長 。對 幾 十 、 幾百 陣 元 的小 型陣來 說 ， 控 制 線 數(shù)量 增 加 或 控 制碼 下 發(fā) 時 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 — 1 1 — 0 8 ； 修

13、回 日期 ： 2 0 1 40 30 2基 金 項 目 ： 國 家重 大科 技 專 項 工 程 作 者簡 介 ： 張勝 輝 ， 女 ， 高 級 工 程 師 ， 主 要 研 究 方 向 為 共 形 天 線 、 相 控 陣 天 線 和 天 線 降 雷 達散 射 截 面 技 術 。E ma i l ： s h e n gh u i z h a n g 2 0 1 1 @ 1 6 3 ． c o m 。第 3期 張 勝 輝 等 ： 隨 機 饋

14、 相 法 對 相 控 陣 天 線 增 益 和指 向精 度 的影 響 6 9E o ， 1 ] 均 勻分 布 的 隨機數(shù) 同這個 概 率 比較 ， 如果 隨機 數(shù)小 于尾 數(shù) ， 就進 位 ， 否則 舍尾 。2 ． 3 預 加 相 位 法 第 m 個 天線 單 元 理 想 相 位 是 按 照 前 面 所 述 的 式 ( 2 ) 進 行 計 算 的 ， 預 加 相 位 法 需 要 預 先 置 入 相 移 量 ， 且滿 足 E o ，△?

15、] 的均勻 分布 。構 造滿 足 條件 的 △， 其表 示第 m 個 陣 元 預 先 引 入 的 相 位 。將 理 想 相位 和 預加相 移 量疊 加得 到 一 [ (+ △) ／ △ 聲．] △ j 5．( 8 )式 ( 8 ) 中[·] 采 用 的是 向零 取 整 。得 到 后 ， 再 將 預加 的相 移量 減 去 ， 注意 這是 在移 相器 內部 操作 ， 減 去 的相 移量 必須 是 移 相 器位 數(shù)可 實 現(xiàn) 的

16、 ， 因此 需 要 對 預加 的相 移量 進行 取 整 處 理 ， 這 里 采 用 “ 四舍 五 人 ” 取整 ， 則 最終 各 陣元相 位 為 一 l 塒一 [ △／ △i] △? ( 9 )式 ( 9 ) 中[·] 代 表 四舍 五人 取 整 ， 式 ( 9 ) 得 到 的相 位 均為 數(shù) 字移 相器 最低 相移 量 的整數(shù) 倍 。3 算例仿真 與分析 圖 1 為 由 5 0個 “ E型 ” 微 帶 貼 片 天 線 排

17、列 而 成 的均 勻 直線 陣列 ， 陣列 在 “ E” 字 開 口方 向擴 展 ， 單 元 間距 為 半波 長 ， 采用 HF S S軟 件 對 陣列 進 行 全 波 仿 真 ， 天 線 單 元 的結 構 和 中心 單 元 的增 益 方 向如 圖 2所示 。掃描 角度 0 o 一4 0 。 ， 研究 在 給定 數(shù)字 移 相 器位 數(shù) 條件 下 ， 不 同配相 方 法 對 陣 列 增 益 方 向 圖 和波 束 指 向精 度 的影 響 。

18、圖 1 微 帶 天 線 陣列 模 型 Fi g ． 1M o d e lo fmi c r o , s t r i p ea n t e n n aa r r a y圖 3為理 論 饋 相 的 陣列 方 向圖 ， 圖 4和 圖 5是 不 同饋 相方 法 的 方 向 圖性 能 ?？?以看 出 ， 對 于 大 型 陣列 ， 當數(shù)字 移 相器位 數(shù) 較少 的時 候 ( 如 K一2或 K 一3 ) ， 四舍 五人 法饋 相 使 得 各 陣 元

19、相 位具 有 明顯 的 周期 性 ， 從而 引 起 較 高 的量 化 瓣 。這 主要 原 因是 因 為 陣列 是均 勻等 間距 陣列 ， 當陣元 數(shù) 目較 多 的時候 ，陣元 的相位 分布 有 一 定 規(guī) 律 ， 經(jīng) 過 四舍 五 人 饋 相后 各 陣元 相 位會 重復 出現(xiàn) ， 適 當隨 機 量化 法 和 預 加相 位法 對 于量化相 位 引 入 隨機 的相 位 分 布 ， 打 破 了這 種周期 性 ， 因此 可 以很好 地抑 制量

20、化瓣 。表 1 統(tǒng)計 了不 同移相器位 數(shù)下 、 不 同饋相 方法 的 增 益 比較 。研 究發(fā)現(xiàn) ， 適 當隨機量化 法和預加 相位饋 相法盡管抑 制 了量化瓣 ， 卻是 以犧牲 主波束 的增益 為 代價 的 ， 這 是 因 為 提 高 了整 體 副 瓣 電 平 ( 見 圖 4和 圖 5 ) 。 當 K一2時 ， 隨機饋相最 大增益損失 為 1 ． 5 5d B ；當 K=3時， 隨機饋相最大增益損失 為0 ． 4 9d B 。( a

21、 )微帶天線單元模型 01 0側視圖 1 8 0( b )微帶天線單元在陣 中的方向圖 圖 2 微帶天線單元模型和 中心單元方 向圖 Fi g ． 2M o d e lo fmi c r o s t r i p ea n t e n n ae l e me n ta n dg a i np a t t e r no ft h ec e n t r a lc e l l俯仰角 。 )圖 3 理 論 饋 相 的 陣 列增 益 方 向 圖 F