基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成与分析.pdf

基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成与分析陈 曦*付 明 韩国栋(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室 西安 710071)(中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081)摘 要：为了实现三极化平面阵列的高性能宽角扫描，提出一种基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成方法，并对相控阵扫描特性进行了分析。首先，在假设单元3个极化特性一致的前提下，从期望的合成波束指向出发，将与之正交的极化电场单位矢量沿3个极化方向分解，从而获得3个极化电场分量的相位和幅度，再依据功率与极化电场幅度平方成正比的关系，推导获得4种极化形式下极化合成所需的激励表达式，并通过仿真验证了该激励表达式的正确性。接着采用经典的阵因子控制方法，改变阵元相位差，使阵因子扫描角与单元波束指向一致，从而形成半空间任意方向扫描的阵列波束。最后，在不考虑阵元间互耦的情况下，对4种极化形式下的阵列扫描特性进行仿真分析与对比，结果表明，该阵列具有优越的半空间扫描特性，验证了该波束形成方法的有效性。关键词：三极化；相控阵；极化合成；半空间波束扫描；波束合成中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-2115-08DOI:10.11999/JEIT220520Development and Analysis of a half-space Scanning Beam for PlanarArrays Based on tri-polarized ElementsCHEN Xi FU Ming HAN Guodong(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xian 710071,China)(The 54th Reasearch Institute of China Electronics Technology Corporation,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:To achieve high performance beam scanning of tri-polarized planar arrays over a wide angle range,this study presents a tri-polarized element-based method that forms a half-space scanning beam of planararrays.Moreover,the beam scanning characteristics of the phased array are also analyzed and presented.Considering that the characteristics of the three polarizations of the element are consistent,starting from therequired direction of the synthetic beam of the element,the unit vector of the synthesis electric field orthogonalto the beam direction is decomposed along the three orthogonal polarization directions to obtain the phase andamplitude of the three polarization electric field components.Subsequently,according to the proportionalrelationship between the power and square of the polarization electric field amplitude,the excitation expressionsrequired for polarization synthesis in four polarization forms are derived,and their accuracies are verifiedthrough simulation.The classical method that controls the array factor is used.Furthermore,by changing thephase difference between the array elements,the scanning angle of the array factor is adjusted to be consistentwith the beam direction of the antenna element,forming the half-space array scanning beams in any direction.Finally,the scanning characteristics of the array under four polarization forms are simulated and withoutconsidering the mutual coupling between the array elements.The results reveal that the array has excellenthalf-space scanning characteristics,verifying the effectiveness of the beamforming method.Key words:Tri-polarization;Phased array;Polarization synthesis;Half-space beam scanning;Beam synthesis 收稿日期：2022-04-27；改回日期：2022-10-14；网络出版：2022-10-20*通信作者：陈曦基金项目：国家自然科学基金(62171346)，天线与微波技术国家重点实验室基金(6142402200308)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(62171346),The Foundation of National Key Laboratory of Antennasand Microwave Technology(6142402200308)第45卷第6期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.62023年6月Journal of Electronics&Information TechnologyJun.20231 引言相控阵天线因其波束捷变的特点，在无线通信领域得到广泛应用。然而，随着电子信息技术的快速发展，传统相控阵天线技术已无法满足现代高速率、广覆盖的无线通信需求，大角度扫描的高性能相控阵天线技术成为学界关注的焦点。近年来，针对相控阵宽角扫描的实现，大多采用拓宽单元波束的方法，包括采用等效微带磁流元1、利用表面波效应2、运用电磁镜像原理3以及使用电壁寄生4等方式，但此类方法往往以牺牲法向增益为代价，且仅限于实现一维宽角扫描。为了突破扫描维度，实现二维宽角扫描，方向图可重构技术57得到运用。然而，受重构波束的差异影响，该方法的可靠性与环境适应性受到学界争议。随着全方位空间探测的需求出现，阵列共形的方式被提出并得到应用812，但受共形结构的影响，阵列的交叉极化分量等性能严重恶化，同时结构尺寸大、成本高等原因，也限制了该方法的应用。显然，上述大角度扫描相控阵的方法，在拓宽阵列扫描范围与改善扫描性能上都存在一定的局限性，尤其是这些方法大多针对单极化和双极化阵列，并未推广到更高维度的三极化阵列。在研究较成熟的三极化天线技术基础上1316，如何实现三极化平面阵列高性能宽角扫描问题，国内外还没有文献讨论，本文将它作为研究主题。针对三极化平面阵列高性能宽角扫描的实现问题，该文借助单元第三极化对双极化波束覆盖的补偿优势，提出了一种基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成方法，并利用该方法对4种极化平面阵列进行了分析与仿真。结果表明，该方法可实现平面阵列的半空间波束扫描，且具有较低的扫描增益波动与交叉极化分量，相比于上述大角度扫描相控阵方法，该方法具有更显著的性能改善效果。2 三极化单元的极化合成三极化单元的极化合成用于实现单元波束指向的调控，是三极化平面阵列半空间扫描波束形成的基础。为了准确合成期望指向的单元波束，需要对极化合成机制进行研究，实现电场参量向激励电流参量的转化，进一步获得用于波束指向调控的激励表达式。2.1 极化合成机制E(,)exp(jkr)/rf(,)在远场条件下，单个极化天线单元的辐射场可表示为球面波乘以一个单元方向图角度矢量函数17即E(,)=f(,)I exp(jkr)/r(1)f(,)Ik=2/rf(,)其中，表示单个极化天线单元的矢量方向图，为单元端口激励电流，包含幅度与相位，为自由空间波数，为单元坐标系原点到远场辐射电场接收位置的距离，在平面波近似条件下，决定了辐射波的极化状态，其单位极化矢量可表示为 e=f(,)/?f(,)?(2)?f(,)?其中，为天线辐射电场的幅度方向图。将式(2)代入式(1)，有E(,)=e?f(,)?I exp(jkr)/r(3)E1(,)E2(,)E3(,)Eu(,)Eu(,)=E1(,)+E2(,)+E3(,)ei?fi(i,i)?ri如图1所示，3个正交电场,通过矢量合成得到辐射电场，即：。假设3个电场特性一致，且中心重合，各辐射电场相对各自的单位极化矢量的电场幅度方向图相等，且远场条件下 也相等，其中i=1,2,3,u，因此，图1中各电场关系可进一步简化为Iu eu=I1 e1+I2 e2+I3 e3(4)I1,I2,I3,Iu e1,e2,e3,eu e1=x,e2=y,e3=z?Iu?其中，分别为各电场对应的激励电流，分别为各电场对应的单位极化矢量，为了便于分析，假定3个正交单位极化矢量满足：，对等式(4)两边同时除以合成电场激励幅度，有eju eu=w1ej1 x+w2ej2 y+w3ej3 z(5)wi=?Ii?/?Iu?,i=1,2,3123u其中，,为合成电场在3个极化的分量幅度，,分别为各极化分量的激励相位。根据以上分析，3个极化电场特性一致时，各电场之间的矢量关系最终可简化为式(5)中各激励间的关系。三极化单元相当于数学上的正交坐标系，具有完备正交性，利用式(5)中的激励关系可合成空间中任意指向的极化电场，从而完整地接收或发射空间中传播的电磁波。然而，双极化天线并 图 1 三极化单元极化合成示意图2116电 子 与 信 息 学 报第 45 卷不具备该完备性，仅可合成某个平面内的极化电场，无法最大化获得完整得电磁波。因此，三极化单元在无线通信中具有较大的优势。为了充分发挥三极化的优势，实现单元波束指向的精准调控，需利用极化电场之间的关系求解出式(5)中激励参数，获得对应的激励条件，即建立波束指向与激励之间的对应关系。以此为研究思路，从期望的合成波束指向出发，分别对线极化和圆极化电场合成情况进行分析，从而求解出各极化下的激励条件并通过仿真来验证激励条件的准确性为后续阵列半空间扫描波束的形成奠定基础。2.2 线极化波束合成的激励条件求解线极化波束的合成取决于电场的合成，线极化合成电场的单位矢量可以沿空间任意方向，但都可由垂直极化和水平极化矢量合成得到，故仅对这两种极化形式的合成进行分析论证，其中水平极化指的是水平面上的任意极化，垂直极化是指与水平极化相垂直的极化。2.2.1 水平极化(0