目前，相控陣天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、民用領(lǐng)域，它通過(guò)改變陣元激勵(lì)信號(hào)的相位來(lái)改變天線方向圖波束指向。天線的輻射能力可以用方向圖函數(shù)來(lái)描述，方向圖的取值與陣元間距有關(guān)，增大陣元間距即增加了天線孔徑長(zhǎng)度，可使天線波束變窄，提高天線分辨率。但是對(duì)于固定的工作頻率和掃描角,若陣元間距過(guò)大，陣列天線掃描時(shí)的輻射場(chǎng)，除主瓣以外在其他方向會(huì)因場(chǎng)強(qiáng)同相疊加形成強(qiáng)度與主瓣相仿的輻射瓣，稱之為柵瓣。柵瓣占據(jù)了輻射能量，使天線增益降低。從柵瓣“看”到的目標(biāo)與主瓣“看”到的目標(biāo)易于混淆，導(dǎo)致目標(biāo)位置模糊。干擾信號(hào)從柵瓣進(jìn)入接收機(jī)將影響通信系統(tǒng)的正常工作[1]。因此，應(yīng)合理地選擇相控陣天線的陣元間距避免出現(xiàn)柵瓣。許多文章只注重對(duì)線陣柵瓣進(jìn)行分析[2-3]，而很少分析平面陣柵瓣問(wèn)題。本文對(duì)平面陣天線柵瓣性能進(jìn)行分析并通過(guò)仿真驗(yàn)證。

1 陣列天線方向圖函數(shù)模型

　　單個(gè)天線的方向性是有限的，可以將若干個(gè)單元天線按一定方式排列組合形成天線陣列來(lái)加強(qiáng)天線的定向輻射能力。平面陣天線陣元有不同的排列方式，常見(jiàn)的陣型有矩形排列平面陣和三角形排列平面陣。無(wú)論哪種陣型，其方向圖函數(shù)模型都是相同的。

　　為簡(jiǎn)化分析，本文做以下假設(shè)[4]：(1)所有陣元為均勻幅度加權(quán)，即信號(hào)到達(dá)不同陣元時(shí)沒(méi)有幅度變化；(2) 陣元都是相同的全向天線且各陣元之間無(wú)互耦；(3)所有入射信號(hào)均為遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，以平面波波前到達(dá)陣列；(4)入射到陣列上的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信號(hào)載波頻率。

　　一個(gè)陣元構(gòu)成的陣列如圖1所示。圖中為方位角，取值范圍為0~2，為俯仰角，取值范圍為0~0.5。如果用矢量a表示信號(hào)來(lái)向，pl表示第l個(gè)陣元坐標(biāo)，則第l個(gè)陣元接收信號(hào)相對(duì)于原點(diǎn)陣元接收信號(hào)的時(shí)延為l=aTpl/c，其中，c為光速[5]。

　　則第l個(gè)陣元接收信號(hào)相對(duì)于原點(diǎn)陣元接收信號(hào)的相位差為l=kTpl，此時(shí)信號(hào)方向矢量為方位角和俯仰角的函數(shù)，可表示為：

　　在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的相控陣加權(quán)中，權(quán)矢量等于期望信號(hào)的方向矢量：

　　其中，0和?0分別為天線波束最大指向的俯仰角與方位角。

　　根據(jù)陣列天線方向圖乘積定理，方向圖等于陣元因子pE與陣元因子pA二者的乘積，即[6]:

　　因陣元都是相同的全向天線，所以場(chǎng)強(qiáng)方向圖為：

　　式中，符號(hào)‖‖為模值。

2 平面陣列天線柵瓣性能分析

　　2.1 矩形排列平面陣

　　等間距矩形陣天線示意圖如圖2所示，一個(gè)共有M×N個(gè)天線單元的天線陣列位于xoy平面上，天線單元沿x和y方向的間距分別為dx和dy。

　　為簡(jiǎn)化分析本文做以下代換：

　　根據(jù)式(5)得知矩形排列平面陣的權(quán)矢量為:

　　令

　　Tx=tx-tx0, Ty=ty-ty0

　　因不考慮幅度加權(quán)，則根據(jù)式(7)可得矩形陣天線的方向圖函數(shù)[7-9]:

　　由上式可知，矩形陣天線方向圖可以看成兩個(gè)線陣天線方向圖的乘積，矩形陣天線方向圖要取得最大值必須滿足以下條件:

　　式中p和q為整數(shù)。

　　由式(10)可得在球坐標(biāo)系(?茲,?漬)中的主瓣、柵瓣位置滿足以下公式：

　　2.2 三角形排列平面陣

　　三角形排列平面陣可以看成兩個(gè)矩形陣交錯(cuò)排列之和[10]，如圖3所示。天線陣列位于xoy平面上，為了便于區(qū)分，兩個(gè)矩形陣列的陣元分別用黑色圓點(diǎn)和黑色正方形表示。兩矩形陣沿x和y方向的間距分別為2dx和2dy，亦即相鄰兩陣元之間沿x方向的距離為dx，沿y方向的距離為dy。若dx=dy，則三角形為等腰直角三角形；若dy=dx，則三角形為等邊三角形。

　　由于這兩個(gè)矩形陣的參考點(diǎn)在x軸方向與y軸方向的位置偏差分別為dx和dy，故整個(gè)陣列的方向圖函數(shù)可表示為:

　　因此，三角形排列平面陣的方向圖取最大值取決于以下兩個(gè)條件：

　　(1) 滿足式

　　式中p和q為整數(shù)。

　　(2) 滿足p+q=偶數(shù)。

　　若p+q=奇數(shù)，則由式(14)可知綜合因子方向圖B1等于0，根據(jù)式(13)由方向圖乘積定理可得整個(gè)三角形陣列的方向圖函數(shù)B也等于0，不會(huì)出現(xiàn)最大值。若p+q=偶數(shù)，綜合因子方向圖B1)取最大值，則整個(gè)三角形陣列的方向圖函數(shù)將取最大值。

　　由以上分析可知，在球坐標(biāo)系中的主瓣、柵瓣位置滿足公式:

　　當(dāng)可知T平面上的點(diǎn)恰好就是球坐標(biāo)系中單位球面上的點(diǎn)在T平面上的投影。因‖T‖=|sin|,在T平面單位圓以內(nèi)的區(qū)域滿足‖T‖=|sin|≤1，即對(duì)應(yīng)球坐標(biāo)系，此時(shí)波束位于可見(jiàn)區(qū)，稱為實(shí)空間。單位圓以外的區(qū)域稱為虛空間，即不可見(jiàn)區(qū)。對(duì)于相控陣天線要求實(shí)空間內(nèi)方向圖只有一個(gè)最大值，即主瓣。相控陣天線波束處于掃描狀態(tài)時(shí)，在T平面上表現(xiàn)為主瓣從原點(diǎn)到T0點(diǎn)的平移，且所有的柵瓣亦做相同的平移。

　　利用方向余弦平面Tx-Ty來(lái)描述天線柵瓣特性，則三角形排列平面陣天線柵瓣在Tx-Ty平面上的位置及其移動(dòng)如圖4所示。從圖中可看出波束掃描時(shí)要想在可見(jiàn),要使空間不出現(xiàn)柵瓣,須滿足Tx-Ty平面上柵瓣與主瓣間的最小距離大于1+sin0[11]。

　　對(duì)于等腰直角三角形陣列，不出現(xiàn)柵瓣的條件為:

3 仿真結(jié)果及分析

　　3.1 矩形排列平面陣

　　出現(xiàn)多個(gè)柵瓣，柵瓣位置也可由式(11)驗(yàn)證。綜合圖5、圖6和圖7可知隨著陣元間距的增大，天線波束逐漸變窄，柵瓣個(gè)數(shù)增加。

　　3.2 三角形排列平面陣

　　以等腰直角三角形為例，設(shè)定天線波束最大指向角為0=0、0=0，天線陣元數(shù)為18，根據(jù)式(19)得出等腰直角三角形排列平面陣不出現(xiàn)柵瓣的條件為dx<0.707、dy<0.707。首先，圖8顯示時(shí)天線波束沒(méi)有柵瓣；其次，由式(18)可計(jì)算出dx,dy=0.707時(shí)柵瓣的位置：時(shí)天線波束出現(xiàn)多個(gè)柵瓣，柵瓣位置也可由式(18)驗(yàn)證。綜合圖8、圖9和圖10可知，隨著陣元間距的增大，天線波束逐漸變窄，柵瓣個(gè)數(shù)增加。

　　本文根據(jù)相控陣天線原理推導(dǎo)出平面陣列天線方向圖出現(xiàn)柵瓣的位置與波長(zhǎng)、陣元間距d以及波束指向(0,0)的數(shù)學(xué)關(guān)系以及不出現(xiàn)柵瓣的陣元間距的取值范圍，然后運(yùn)用MATLAB仿真進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，當(dāng)工作頻率以及波束指向確定之后，只要調(diào)整陣元間距使其在不出現(xiàn)柵瓣的取值范圍內(nèi)，就可有效避免天線方向圖出現(xiàn)柵瓣。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，對(duì)工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 束咸榮,何炳發(fā),高鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:16-17.

　　[2] WOOH S C, SHI Y. A Simulation study of the beamsteering characteristics for linear phased arrays[J]. Journal of Nondestructive Evaluation, 1999,18(2):39-42.

　　[3] ABDEL M. Grating lobe suppression in uniformly spacedlinear phased arrays[C].National Radio Science Conference. New Cairo, 2009:1-10.

　　[4] 付曉蕾.智能天線DOA估計(jì)及自適應(yīng)波束形成技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué),2007.

　　[5] 劉玲,劉曉明,曾浩.基于MATLAB的陣列信號(hào)處理仿真方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(13):3548-3549.

　　[6] Lu Bao, Gong Shuxi, Zhang Shuai, et al. Optimum spatial arrangement of array elements for suppression of grating-lobes of radar cross section[J]. IEEE Antennas and Wire-less Propagation Letters, 2010(9):114-117.

　　[7] 陳志杰,李永禎,戴幻堯. 相控陣天線方向圖的建模與實(shí)時(shí)仿真方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(3):31-35.

　　[8] 鄭美燕, 陳客松. 基于增廣矩陣束方法的平面天線陣列綜合[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(12):101-102.

　　[9] WHEELER H A. The grating-lobe series for the Imped-ance variation in a planar phased-array antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966,14(6): 707-714.

　　[10] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

　　[11] HANSEN R C. Phased array antennas[M]. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009.