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空馈相控阵天线的效率

1引言相控阵天线因其波束转换灵活迅速、能对多目标进行跟踪而受到人们的青睐。空馈相控阵天线又因其馈电简单、造价低得到了广泛的应用。相控阵天线的效率直接影响雷达的作用距离和其它性能,因此在相控阵天线设计中,它是一个非常重要的参数。相控阵天线的馈电方式主要分为两种,一种是强制馈电(又称为传输线馈电),其优点是容易实现需要的幅度分布,纵向尺寸小,但馈电网络复杂；另一种馈电方式是空间馈电(又称光学馈电),这种馈电方式的优点是馈电简单,但纵向尺寸大，而且幅度较难控制。本文着重讨论空间馈电的相控阵天线效率。空馈的方式主要有反射式和透镜式。透镜式空馈又可分为球面波馈电和平面波馈电。反射式是由初级馈源将能量辐射到阵面上,阵面单元接收后经过移相器又经短路器反射回来后再经过移相器到阵面单元最后辐射出去。透镜式是由初级馈源或天线将能量辐射到收集阵面上,收集阵单元接收后经移相器传输到辐射单元,最后由辐射单元辐射出去；球面波馈电是用初级馈源直接对收集阵馈电,平面波馈电是用与阵面同样大小的天线对收集阵馈电。反射式和球面波馈电结构简单，但纵向尺寸大、效率低；平面波馈电的效率高,没有接受单元的方向性损失,而且纵向尺寸小，但结构较复杂。2相控阵天线效率的分析相控阵天线的增益可以用类似于面天线的方式表示：.η2.η3.η4.η5.η6.η7.η8.η9.η10.η11.η12.η13(2)其中，η1是馈电漏过效率;η2是收集阵单元效率;η3是辐射阵单元效率;η4是馈电照射遮挡效率;η5是失配效率;η6是接收阵单元方向性造成的漏失损耗;η7是极化失配效率;η8是幅相起伏损耗;η9是辐射口径利用效率;η10是移相器插入损耗;η11是单元位置公差损耗;η12是辐射口面遮挡效率;η13是其他因素造成的损耗。从相控阵天线效率的组成来看,影响相控阵天线效率的因素比一般面天线要多得多,其中η1.η2.η4.η5.η6.η7.η9可以看作总的馈电效率,而η3.η8.η11.η12实际上是辐射阵总辐射效率,η10.η13是相控阵的有功损耗。3相控阵天线各种效率的分析计算
其中,Γs为收集阵单元与移相器之间的失配反射系数,Γf为辐射阵单元与移相器之间的失配反射系数,Γk是馈源的反射系数。(6)接收阵单元方向性造成的漏失损耗η6在反射式和球面波式空馈阵,由于收集阵单元是安装在一个平面上，且单元方向图最大接收方向平行于阵面中心轴方向,因此阵面边缘的单元最大接收方向与初级馈源的来波方向不一致造成了不能最大地接收馈源照射在这个方向上的能量,产生的损失称为接收阵单元方向性造成的漏失损耗。如图1所示,假设馈源归一化方向图为fk(θ),阵中第i个接收阵单元阵中归一化方向图为fdi(θ),馈源发射功率为Pt,则接收阵接收到的能量为：

(8)
其中,Gk是馈源增益,Gdi是第i个收集阵单元的阵中增益,ri是第i个收集阵单元与馈源的距离。

图1馈源方向图和接收阵单元方向图
当每个收集阵单元都对准馈源且与馈源的距离都相等时(球面阵排列)，接收的能量最大,此时没有方向性漏失,这时fdi(θ1)=1,ri=r0，接收能量为：

(9)
从上图中可以得到：θi=θ1i,ri=r0/cosθi,由(8)、(9)两式可以求出接收阵单元方向性造成的漏失损耗为：

(10)
从(9)式中可以看出收集阵单元方向性漏失主要是与接收阵单元的方向性有关,还与收集阵的焦径比r0/D(D是阵面有效直径)有关。表1给出了阵面单元数、阵面尺寸及排列相同情况下不同焦径比、阵中单元方向性不同时的接收阵单元方向性造成的漏失损耗。
表1接收阵单元方向性的漏失损耗
单元方向性fd(θ)=cosθ边缘照射电平：-14.5dBfd(θ)=cos1.32θ边缘照射电平：-14.5dBfd(θ)=cos2θ边缘照射电平：-14.5dBr0/D0.51.02.00.51.02.00.51.02.0η6(%)56.781.294.454.480.193.950.177.292.9
(7)极化失配效率η7极化失配效率通常是指圆极化状态下,由于馈源圆极化性能和收集阵单元、移相器圆极化性能不匹配造成的能量损失。一般来说，它主要是由于移相器圆极化与馈源圆极化之间的不匹配产生的。(8)幅相起伏损耗η8由于单元间的互耦以及接收阵面的反射和绕射会造成收集阵幅相分布的起伏，而移相器和馈源圆极化性能的不理想也会产生相位控制误差，这些起伏及误差会造成天线的增益损失。(9)辐射口径利用效率η9和面天线的相似，相控阵天线的辐射口径利用效率是指口面幅度分布不均匀造成的增益损失。这里主要是指口面幅度锥削造成的增益损失,表示为：

(11)
其中，Ii是辐射阵中第i个单元的场强幅度分布,N是整个辐射阵面的总单元数。对于反射式和球面波式空馈阵,参考图1可以得出