阵列天线分析与综合讲义 王建
§2.6 伍德沃德—劳森抽样法
简称伍德沃德法。这种方法是用于天线波束赋形的一种常用的方向图综合方
法,它是对所需方向图在不同离散角度处进行抽样来实现预期方向图的。与各方
向抽样和联系的是谐波电流,谐波电流对应的场叫做构成函数。综合方法分为连
续的线源和离散的线阵分别讨论。对于连续线源。其构成函数为
a
m
sin(
u
m
) /
um
形
式,对于离散线阵,其构成函数为
a
m
sin(
nu
m
) /( sin
n
u
m
)
形式。各谐波电流激励系
数 等于所要求的方向图在对应抽样点上的幅度。谐波电流的有限项之和为源
ma
的总激励。构成函数的有限项之和则为综合的方向图,其中每一项代表一个电流
谐波产生的场。
( )g t
,如果最高频率为
理。该定理指出:“一个有限频带的函数
伍德沃德方法中有关公式的处理类似于信号理论中的香农(Shannon)抽样定
( )g t
hT
, 为
/ Lλ
hf ,则函数
f
可以用等间隔的抽样唯一地表示。抽样间隔必须不大于
对应于最高频率的周期”。用类似的方法综合天线方向图时,其抽样间隔应取
弧度,L 为源的长度。
2.6.1 连续线源
(1) 连续线源上的电流分布
1/(2 )
h
t
Δ =
/ 2
T
h
=
对于长为 L 的连续线源,伍德沃德方法是令连续线源的总电流 I(z)在线上用
若干谐波电流 ( )
z 的有限和来表示:
nI
I z
( )
=
N
∑
n
=−
N
I
n
z
( ) ,
−
L
/ 2
≤
z L
≤
/ 2
(2.119)
式中谐波电流为
I
n
z
( )
=
a
n
L
−
jkz
cos
θ
n
e
,
−
L
/ 2
≤ ≤
z L
/ 2
(2.120)
nθ 代表所需方向图的抽样角度。
n = ± ±
1, 2,
± N
,
(2N 个偶数抽样)
n = ± ±
0, 1, 2,
±
,
N
(2N+1 个奇数抽样)
(2) 谐波电流产生的场方向图
z 产生的场方向图函数(即构成函数)为
由各谐波电流 ( )
z e
( )
nI
I
dz
θ
dz
θ θ
n
( )
θ
(cos
=
=
S
e
−
cos
jkz
cos
jkz
/ 2
L
/ 2
L
)
n
∫
−
L
/ 2
n
a
n
L
∫
−
L
/ 2
106
阵列天线分析与综合讲义 王建
n
a
=
kL
sin[
2
kL
(cos
2
nθ θ= 处。
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
−
θ
cos
θ
n
)
其最大值发生在
(3) 总电流分布产生的场方向图
(2.121)
由式(2.119)总电流 ( )
I z 产生的总方向图为
S
( )
θ
=
N
∑
n
=−
N
S
n
( )
θ
=
N
∑
n
=−
N
a
n
kL
sin[
2
kL
(cos
2
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
θ
−
cos
θ
n
)
(2.122)
nθ θ= 处,其最大值为:
上式的最大值也发生在
S
S
S
=
=
=
)
)
(
θ
n
n
(
θ
n
max
na
(2.123)
nθ θ= 处,综合的方向图最大值 (
即在
S θ ,而其它的所有抽样点对应的 (
大值 (
n
n
m
人的地方。若式(2.122)等号左边为预给方向图
S
)
n
)nS θ 等于各谐波电流所产生场方向图的最
≠ 。这是本方法最吸引
m n
θ =
0, (
)
)
S
fθ
( )
( )
θ=
激励系数 就可以在抽样点
na
nθ θ= 处得到,即
f
(
)
nθ=
na
(2.124)
然后由式(2.122)就得到综合的方向图,由式(2.119)和(2.120)就可得到线源上的电
流分布。
(4) 抽样间隔的确定
为了使综合的方向图对应实际观察角可见区 0 ~θ
π=
,且满足周期 2π的要
求和准确地重建给定的方向图,可按下式确定抽样间隔 Δ 。
kz
||
=Δ
z L
|
=
2
π
⇒ Δ =
/
λ
L
(2.125)
每个抽样角度点的位置 nθ 为
n
/
= Δ =
λ
cos
n
θ
n
L
⇒
θ
n
=
/
cos (
1
λ−
n
L
)
(2.126)
因此,N 应是最接近于
N L λ≤
/
的整数。
一旦由式(2.126)确定每一个抽样点的位置,抽样点处的方向图函数值就只由
一个抽样值定出,与其它抽样点的场无关。
【例 2.8】设预给方向图关于
θ π=
/ 2
对称,由下式给出,如下图 2-17 所示。
107
阵列天线分析与综合讲义 王建
f
( )
θ
π θ π
≤ ≤
3 / 4
1,
/ 4
⎧
= ⎨
0 ,
⎩ 其它
(a) 极坐标图 (b) 直角坐标图
图 2-17 扇形方向图 f(θ)的极坐标和直角坐标图
试求一个置于 z 轴上、长为 5L λ= 的线源电流分布。
这称为扇形方向图,广泛用于搜索雷达和通信中,
解:因 5L λ= ,取 N=5,抽样间隔
度抽样点由下式给出
/
cos (
1
λ−
L
=
=
n
)
θ
n
cos (0.2 ) ,
n
−
1
n
= ± ± ±
, 5
0, 1, 2,
/
λΔ =
L
= ,抽样点总数为 2N+1=11。角
0.
2
由式(2.124)确定系数
a
n
f θ=
n
(
)
所得抽样点角度和激励系数由下表 2-2 给出
表 2-2 抽样点角度和激励系数
1
-2
-1
0
-4
-5
N
5
nθ (o) 180 143.13 126.87 113.58 101.54 90 78.46 66.42 53.13 36.87 0
0
na
-3
2
3
4
0
1
1
1
1
1
1
0
0
由
S
( )
θ
=
N
∑
n
=−
N
a
n
计算的方向图见下图 2-18。
1
kL
sin[
2
kL
(cos
2
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
θ
−
cos
θ
n
)
如果线源长度愈长,抽样点数愈多,则综合的方向图愈接近预给方向图。
图 2-18 用伍德沃德-劳森综合法的线源方向图 S(θ)与预给方向图 f(θ)的比较
108
阵列天线分析与综合讲义 王建
2.6.2 离散线阵
上一节讨论的伍德沃德方法综合连续线源的过程也适应于离散线阵。此时抽
样方向图函数(即构成函数)式(2.121)应该用均匀直线阵的阵因子来代替。
设一个均匀直线阵的单元数为 N,间距为 d,则该直线阵的阵列长度为 L=Nd,
对应于式(2.121)的抽样方向图函数为
S
n
( )
θ
=
a
n
sin[
N kd
2
1
sin[
2
kd
N
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
(2.127)
总场阵因子可写成 N=2M 或 N=2M+1 项的叠加,而每一项都具有式(2.127)的形
式。即
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
kd
(cos
θ
−
cos
θ
n
)]
sin[
N kd
2
1
sin[
2
( )
θ=
N
fθ
,则抽样点的阵元激励系数 就为
na
(2.128)
S
( )
θ
=
M
∑
n M
=−
S
n
( )
θ
=
M
∑
n M
=−
a
n
如果上式等号左边为预给方向图 ( )
预给方向图在抽样点的值。即
f
(
θ
n
(
θ
n
=
=
a
S
)
)
S
n
(2.129a)
如果抽样点正好在 ( )
f θ 的边缘,则应取
=
f
0.5 (
)
nθ
na
(2.129b)
抽样点由下式确定
cos
θ
n
各单元的激励电流为
=
n
n
λ λ
Nd
L
=
⇒
θ
n
=
cos [
1
−
n
λ (2.130)
]
Nd
I
m
(
z
m
)
M
= ∑
1
N
n M
=−
a e
n
−
j
kz
cos
θ
n
m
(2.131)
式中 为单元位置。对于奇数(N=2M+1)和偶数(N=2M)阵列均有,
mz
mz
=
[(
m N
−
(
+
d
1) / 2]
,
m
=
1,2,
−
N
,
1
(2.132)
此式是以阵列中心为坐标原点计算的阵列单元位置。
【例 2.9】设预给方向图为扇形方向图,由下式给出。试求一个置于 z 轴上,
d λ=
单元数为 N=20,间距为
1,
/ 3
π θ π
⎧
= ⎨
0 ,
⎩ 其它
的直线阵列各单元的激励分布。
/ 2
≤ ≤
2 / 3
( )
θ
f
109
阵列天线分析与综合讲义 王建
解:由 N=2M=20,则 M=10,L=Nd;由式(2.130)确定抽样点角度 nθ ;由式(2.129)
na n
确定抽样值 ,
。这些结果示于表 2-3 中。
0, 1, 2,
= ± ±
±
,
M
-1
-8
-7
表 2-3 扇形波束的抽样角度 nθ 和抽样值 na
n
-3
-10
107.5
nθ (o) 180
1
na
n
8
nθ (o) 84.3
36.7
0
na
0
90
1
上表中抽样点正好在预给方向图函数的边界上,所以抽样值取其一半。
由式(1.132)确定阵列单元坐标位置 ;由式(2.131)确定阵列单元激励电流;
-9
154.2 143.1 134.4
0
2
78.5
1
-6
126.9
0
5
60
0.5
-2
101.5 95.7
1
9
25.8
0
1
10
0
0
-4
113.6
1
7
45.6
0
-5
120
0.5
6
53.1
0
0
4
66.4
1
0
3
72.5
1
0
1
1
mz
结果示于表 2-4 中。
表 2-4 按扇形波束要求综合得到的单元位置 和激励电流
mz
单元编号 m
mz /λ
mI
单元编号 m
mz /λ
mI
± 1
±0.25
0.44923
±6
±2.75
0.0302
±2
±0.75
0.14727
±7
±3.25
-0.02167
±3
±1.25
-0.08536
±8
±3.25
-0.01464
±4
±1.75
-0.0577
±9
±4.25
0.00849
mI
±5
±2.25
0.0414
±10
±4.75
0.00278
综合得到的激励电流应该是复数,由于其虚部为零,所以表中没给出来。
由 式(2.128) 计算并绘出的方向图如下图 2-19 所示。
图 2-19 用伍德沃德-劳森综合法的阵列方向图 S(θ)与预给方向图 f(θ)的比较
综合得到的方向图的阵列如下图 2-20 所示,单元数为 N=20,单元间距为
/ 2
,阵列中各单元的激励电流 mI 已由表 2-4 中列出。由此阵列采用第一章
d λ=
的方法可给出阵因子为
110
阵列天线分析与综合讲义 王建
S
( )
θ
=
N
1
−
∑
m
=
0
jmu
I e
m
,
u
=
kd
cos
θ
由此阵因子绘出的方向图与图 2-19 综合得到的方向图完全重合。
图 2-20 实现综合得到的阵列方向图 S(θ)的直线阵列
§2.7 泰勒综合法
前面我们讨论了经典的道尔夫-切比雪夫综合方法,由此得到的切比雪夫阵
列其方向图是最佳的,即在相同阵列长度情况下对给定的副瓣电平,其主瓣宽度
是最窄的,或对给定的主瓣零点宽度,所得副瓣电平是最低的。但是当阵列单元
数较多(
)时,切比雪夫阵列两端单元
及13
N ≥
N ≥
25
dB
35
dB
25
,
,
=
dBR
0
dBR
0
=
的激励幅度将发生跳变,最末单元比其相邻单元的激励幅度大许多,不利于馈电
并对方向图副瓣电平影响很大。这一节介绍与切比雪夫综合法密切相关的另外一
种经典综合方法——泰勒综合法。
采用泰勒综合法设计的泰勒阵列,其方向图只是靠近主瓣某个区域内的副瓣
电平接近相等,随后单调地减小,有利于提高天线方向性。如果设计得当,激励
幅度分布的变化在阵列两端是单调减的,不会出现两端单元激励幅度跳变的情
况。泰勒综合法设计灵活,适应面宽,在工程设计中得到广泛应用。
虽然泰勒综合法是针对连续线源设计的一种方法,但可以根据抽样定理将其
离散化。换言之,可用单元数足够多的离散阵列幅度分布来逼近连续线源的泰勒
分布。
2.7.1 线源的等副瓣理想空间因子
早在 1954 年,Mass 就把切比雪夫多项式用于综合线源,得到了一个副瓣电
平可以控制的空间因子(方向图函数)。首先,他在切比雪夫多项式的基础上定义
了一个新函数
W z
( )
2
N
=
T B a z
2 2
N
−
(
)
⎧
⎪
= ⎨
⎪⎩
−
B a z
N
)],
cos (
cos[
2 2
1
−
B a z
N
cosh (
cosh[
2 2
1
−
−
)],
|
|
B
B
−
−
az
(
az
(
) | 1
2
≤
) | 1
2
≥
(2.133)
111
阵列天线分析与综合讲义 王建
)
为 N 阶切比雪夫多项式,B 和 a 均为常数。引入新函数的目
的两个大幅度区域合并起来,以形成方向图的主瓣,而把等波纹区
式中,
(NT B a z
2 2
−
NT x
( )
的是把
域用来形成副瓣。如下图 2-21 就是 N=4 时
cosh
在图(b)中,参数取为
cosh(
B
=
−
和
NT x
( )
R
)
1
0
,
a
)
−
2 (NW B a z
2 2
Nπ=
/( 2 )
,
的图形。
。
R =
0
20
2 ( )
NW z 的零点由
cos[
cos (
1
N
cos (
1
B a z
)
2 2
N
−
−
−
= 确定,即
)] 0
nπ
=
,
1)
2
1,2,
1
N
B a z
2 2
−
n
(2
=
−
得零点位置:
z
n
= ±
1
a
B
−
cos(
1
)
π
n
2
2
−
N
(2.134)
(a) (b)
图 2-21
NT x
( )
和
2 (NW B a z
2 2
−
)
的图形,N=4
由上图可见,
的波纹幅度为 1,则主-副瓣幅度比为
NW z
2 ( )
NT x
( )
函数的主瓣两侧各有 N 个零点和 N-1 个等副瓣。由于
R W
0
=
2 (0)
N
1
N
cosh
1
−
=
T B
N
(
)
=
cosh(
N
cosh
−
1
B (2.135)
)
cosh
−
1
R
0
)
(2.136a)
R
0
(2.136b)
得
B
=
cosh(
若令
A
π
=
则
B
=
cosh(
A Nπ
/
)
(2.136c)
这样,我们就可以用主副瓣幅度比 0R 来确定参数 B。
参见图 2-21(b),如果参数 a 变小而 N 不变,则主瓣将展宽;如果取
a π=
/( 2 )
N (2.137)
即 a 随 N 的增大而变小,显然副瓣数量增加,则主瓣变窄。如果令
a →
,则
/ Nπ = 2a 代入(2.136c),再由式(2.134)可得零点位置为
。把式(2.137)解出
N → ∞
0
112
阵列天线分析与综合讲义 王建
z
2
n
=
1
lim {cosh( 2
a→
2
a
0
aA
)
−
cos(
2
n
1
−
2
a
)}
=
A
2
+
(
n
−
1/ 2)
2
即
nz
= ±
2
A
+
(
n
−
1/ 2)
2
,
n
= (2.138)
1,2,
2 ( )
为无穷多个(
NW z 函数的主瓣两侧各有 N 个零点,N-1 个等副瓣。现在把这些零点扩展
),并根据一个有 N 个零点 的函数 f(z),可表示成 N 个因式
N → ∞
nz
)的连乘积的形式
2
(
z−
nz
2
理想空间因子为
f z
( )
=
C
N
−∏
z
2
n
(
n
1
=
2
z
)
的事实,可得具有无穷多个副瓣的
F z A
)
( ,
=
lim
N
→∞
W z
( )
2
N
=
C
∞
∏
n
1
=
(
z
2
n
−
2
z
)
=
C
∞
∏
n
1
=
[
A
2
+
(
n
−
1/ 2)
2
−
2
z
]
=
C
∞
∏
n
1
=
(
n
−
1/ 2)
2
∞
∏
n
1
=
[1
−
z
n
(
2
−
A
2
−
1/ 2)
2
] (2.139)
令
C
=
[
∞
−∏
n
(
n
1
=
1/ 2) ]
2
−
1
,则得
F z A
)
( ,
=
∞
∏
n
1
=
[1
−
z
n
(
2
−
A
2
−
1/ 2)
2
]
(2.140a)
由公式:
cos
x
=
∞
∏
n
1
=
[1
−
2
x
1/ 2)
2
2
π
(
n
−
]
, [
±
(
n
−
1/ 2)
π
是 cosx 的零点]
则得:
式中,
( ,
F z A
)
cos(
π=
1 cosh
π
A
=
−
1
R
0
2
z
−
A
2
)
(2.140b)
(2.141)
对于一个长为 L 的连续线源,其空间因子(即方向图函数)可由式(2.140b)表
示为
F u A
)
( ,
=
cos(
π
2
u
−
A
2
) ,
u
=
此式即为理想的空间因子。分区表示为
L
λ
cos
θ
(2.142)
|
|u
A≤ ,为主瓣区:
F
( )
θ
=
cosh(
π
A
2
2
u−
)
(2.142a)
|
|u
A≥ ,为幅瓣区:
F
( )
θ
π=
cos(
2
u
2
− A (2.142b)
)
当 u=0(
θ π=
/ 2
)时,出现最大值
F
=
max
F u A
( ,
) |
u
=
0
=
cos( j
A
)
π
=
cosh(
A
)
π
=
R
0
(2.143)
113