相控阵天线（十一）：阵列天线有源驻波分析

简介

有源相控阵最大的特点是每一个收发天线后均连接一个独立的T/R组件，每一个T/R组件相当于一个常规雷达的高频前端，它既有发射功率放大器，又有低噪声放大器及移相器/延时器、二级波束控制电路等多种功能电路。通过T/R组件中的数控移相器/延时器可以快速改变各天线单元之间的相位差，以实现波束扫描。对于包含发射功能的相控阵系统，阵列有源驻波是一个非常重要的指标，其直接反映了发射状态下电磁波通过空间耦合反向进入阵元的功率大小，有源驻波越大标志反向耦合功率越大，此时将可能损坏后端的收发通道。

有源驻波概念和计算公式

互耦效应引起的有源驻波参数可以采用单元间耦合系数的散射矩阵法进行分析，它对任何形式的阵列单元结构都适用。具有n个阵元的阵列可以看成是n端口网络，设n个端口上进波和出波分别为a1,a2…an和b1,b2·…bn,
它们之间的散射关系可表示为：

存在互耦效应时，在有源S参数矩阵里，第i单元的反射系数Ri，定义为为阵列中所有单元在第i单元上的总出波除以第i单元的进波：

第i单元的驻波比由下式给出：

平面阵列天线的有源驻波

平面阵列有源驻波计算公式

一个平 X方向阵元数为M、Y方向阵元数为 N的平面阵，第mn号阵元的有源反射系数如下所示：

α为方位扫描指向角，β为俯仰扫描指向角，S_mn,pq 表示非扫描状态下mn号阵元与pq号阵元的矢量电压耦合系数。其有源驻波如下所示：

综上可以看出阵列的有源驻波同天线阵元之间的固有耦合系数以及波束指向角度均有直接的联系。

平面阵列有源驻波仿真示例

建立一个5X5的平面阵列如下所示：

中间阵元cen与周围阵元的耦合系数和相位如下所示：

中间单元在不同扫描角度下的有源驻波如下所示：

不同幅度加权下的有源驻波分析

对如上所示的5X5的平面阵列进行泰勒加权，加权的副瓣电平不同，得到的有源驻波也不相同，如下所示：

不同耦合系数/隔离度的有源驻波分析

如上所示，5X5的平面阵列，中间9个阵元的隔离度/耦合系数较差，旁边16阵元的隔离度/耦合系数相较于中间9阵元要低-10dB。我们设置中间9阵元的隔离度在[-a，-a+10dB]范围内的随机数，旁边16阵元为[-a-10dB，-a]范围内的随机数，不同a值对应的有源驻波如下所示：

如上所示，保持相邻单元的耦合系数/隔离度在[-25，-15]dB间，平均隔离为-20dB将会有较好的有源驻波。