丁卓富 肖紹球

(電子科技大學(xué),成都 610054)

引 言

相控陣天線由于具備靈活的波束賦形能力,快速的波束切換能力,空間功率合成等諸多優(yōu)點,被廣泛運用于各種雷達(dá)系統(tǒng)中[1-2]. 然而,在一些特定的運用場合,為了降低系統(tǒng)成本,又能夠結(jié)合相控陣天線的優(yōu)點,雷達(dá)一般采用一維電掃描和一維機械掃描相結(jié)合的方式[3]. 但是為了提升陣列天線的增益,并在非掃描維獲得相對窄的波束寬度和較低的副瓣電平,非掃描維一般也被設(shè)計成陣列天線的形式.

傳統(tǒng)的做法是將該陣列天線設(shè)計為均勻規(guī)則陣,均勻規(guī)則陣列由于數(shù)學(xué)處理的方便和陣列結(jié)構(gòu)的簡便而得到了廣泛的研究和應(yīng)用,但其陣因子的理論副瓣電平較高,而副瓣電平是制約雷達(dá)抗干擾能力和靈敏度的一項重要指標(biāo)[4],因此均勻規(guī)則陣的使用在雷達(dá)系統(tǒng)中會受到很大的限制;另外,當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)需要具備較高的角度分辨率時,雷達(dá)天線陣的陣列孔徑尺寸必須取得很大,以滿足陣列天線波束寬度的需要. 因此,較低的天線副瓣電平和較窄的天線波束寬度有利于提升雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能.

非均勻間隔的稀布天線陣列可以彌補均勻規(guī)則陣的上述問題[5-8]. 在設(shè)計稀布天線陣的過程中,將副瓣電平作為優(yōu)化目標(biāo),這樣可以提升陣列方向圖的副瓣性能;同時,由于陣元為非等間距排布,在副瓣電平相近的前提下,稀布陣陣元間的間距均大于均勻陣的間距,這使得稀布陣的口徑尺寸增加,從而使天線陣列的波束寬度變窄;另外,采用稀布陣后,天線單元間的互耦明顯降低,這有利于提升天線陣列的合成增益.

對于天線陣列的饋電方式,可以是并聯(lián)網(wǎng)絡(luò),也可以是串聯(lián)網(wǎng)絡(luò). 如果用并聯(lián)形式,每個陣元的相位容易做到同相位,且?guī)捪鄬^寬,但需要額外的面積提供給饋電網(wǎng)絡(luò),這對于二維陣列而言非常困難;且并聯(lián)饋電方式會增加饋電網(wǎng)絡(luò)的路徑,這會增大天線的線路損耗,從而降低天線陣列的整體效率. 串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和天線本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計息息相關(guān),而不是孤立存在. Xu Jun等人提出了一種用于77 GHz汽車?yán)走_(dá)的葫蘆串形式的串聯(lián)天線陣[9],這種天線陣的帶寬很窄,且由于饋電網(wǎng)絡(luò)和天線輻射片處在同一層,饋電網(wǎng)絡(luò)會參與正向輻射,使得陣列的方向圖難于控制;更重要的是,這類天線的整體效率偏低,不適合用于高效率雷達(dá)中. Zivanovic等人提出了一種兩單元的串饋耦合縫隙陣[10],這種陣列結(jié)構(gòu)簡單,可以避免饋電網(wǎng)絡(luò)參與前向輻射,但由于耦合縫隙沒有考慮背向屏蔽措施,因此會存在較強的背向輻射,導(dǎo)致能量的損失,或與其他無線設(shè)備存在相互干擾的情況.

基于以上分析,本文提出了一種基于串聯(lián)饋電方式的非規(guī)則天線陣列,這種陣列是基于文獻(xiàn)[11]中提出的帶介質(zhì)空腔的微波多層板寬帶高增益天線,該天線采用帶狀線和耦合縫隙的方式,避免了陣列天線的背向輻射,同時采用在介質(zhì)結(jié)構(gòu)中開空腔,減小了天線的有效介電常數(shù),拓展了天線的帶寬,并提升了天線的增益．使用該天線作為陣列的天線單元,結(jié)合稀布陣優(yōu)化算法,最終實現(xiàn)了寬帶、低副瓣的天線陣列.

1 天線陣列設(shè)計

1.1 陣列布局設(shè)計

該天線陣列采用稀布陣形式,陣列的位置布局示意如圖1所示．

圖1 稀布陣列天線位置布局示意圖Fig.1 Schematic layout of the thin array antenna

對于圖1所示的陣元數(shù)為2N的稀布陣列天線,方向圖表達(dá)式如下:

F(θ)=E(θ)×FA(θ),

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:dn∈(0.2λ,0.7λ),且dn=xn+1-xn;取N=3. 采用遺傳算法對dn進行優(yōu)化. 適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)置如下所示:

F=(LSL0+LPSL)2．

(5)

副瓣電平的目標(biāo)期望值為LSL=-17 dB,為了給天線陣設(shè)計預(yù)留余量,優(yōu)化目標(biāo)為副瓣電平LSL0=-18 dB. 種群大小選為Np=100,代數(shù)T=100. 優(yōu)化后的天線單元的位置信息和加權(quán)幅度值如表1所示.

表1 陣元位置及加權(quán)幅度Tab.1 Element location and weighted values

基于表1的數(shù)據(jù),可以計算陣列的陣因子方向圖曲線,為了便于對比,將均勻規(guī)則陣和稀布加權(quán)陣的陣因子方向圖曲線一并放在圖2中,其中均勻規(guī)則陣的陣元間距為8.2 mm. 由圖2可知,均勻規(guī)則陣的陣因子副瓣電平為-12.4 dB,相比均勻規(guī)則陣而言,優(yōu)化后稀布加權(quán)陣的陣因子副瓣電平改善了5.6 dB;同時,3 dB波束寬度僅展寬了0.2°,對于接近20°的3 dB波束寬度而言,0.2°的波束寬度展寬量幾乎可以忽略不計.

圖2 優(yōu)化后的稀布陣因子方向圖Fig.2 Optimised factor pattern of the thin array

1.2 天線設(shè)計

根據(jù)1.1節(jié)的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計描述, 本文提出的天線陣列將根據(jù)表1的位置信息和加權(quán)幅度值進行設(shè)計. 對于陣元位置信息而言,選取天線單元的相位中心布置在表1的坐標(biāo)位置即可;對于加權(quán)幅度信息,通過調(diào)整串饋功分網(wǎng)絡(luò)的幅度比例來實現(xiàn). 天線的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要包括天線輻射貼片、空腔、串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)、耦合縫隙、SMP連接器等. 該天線在結(jié)構(gòu)上完全左右對稱,因此本文只會對其中一半天線進行詳細(xì)闡述.

圖3 串饋天線陣的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D structure of the proposed series-fed antenna array

射頻信號從SMP進入,經(jīng)過類同軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到帶狀線上進行傳輸,該帶狀線貫穿三個天線,是一個串聯(lián)結(jié)構(gòu),每個天線單元通過各自下方對應(yīng)的耦合縫隙耦合帶狀線上的能量,通過輻射貼片輻射到空間中. 整個天線陣列的口徑能量分布需要綜合調(diào)節(jié)帶狀線形狀、耦合縫隙的尺寸和輻射貼片等,從而獲得期望的功率分配比.

天線采用微波多層板技術(shù)進行加工,由圖4可知,天線可以分為兩個多層板,其中多層板1主要由介質(zhì)3和介質(zhì)4組成,這部分的主要功能是將SMP連接器饋入的電磁場能量轉(zhuǎn)化到帶狀線中進行傳播,將其命名為饋電層;多層板2主要由介質(zhì)1和介質(zhì)2組成,這部分的主要功能是將帶狀線上傳輸?shù)哪芰客ㄟ^耦合縫隙耦合到輻射貼片上,激勵起輻射貼片上的TM01模,從而實現(xiàn)空間特定方向電磁波的輻射,將其命名為輻射層.

四種介質(zhì)材料均選擇Taconic的TLY-5,其介電常數(shù)為2.2,其中介質(zhì)1、3和4的厚度均為0.254 mm,介質(zhì)2的厚度為1.52 mm.半固化片1和2均采用Taconic的FR-27,介電常數(shù)2.7,厚度0.09 mm. 天線的詳細(xì)設(shè)計參數(shù)如圖5所示,具體數(shù)值列在表2中．對這些具體尺寸的調(diào)節(jié),是為了實現(xiàn)每個陣元能夠滿足表1的幅度優(yōu)化分布,同時,能夠使得每個天線單元均為同相位分布,實現(xiàn)期望的方向圖.

圖4 天線單元的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.4 Side-view structure of the proposed antenna

圖5 陣列天線平面圖Fig.5 Structure of the proposed series-fed antenna array

2 測試結(jié)果及討論

由于該陣列的設(shè)計是為了用于一維相控陣天線,因此孤立的陣列天線性能沒有實際工程意義,為了驗證天線在耦合環(huán)境中的設(shè)計合理性,本文加工了四列天線,加工實物如圖6所示,僅測試其中一列天線的性能,但其余非被測陣列的端口用SMP負(fù)載進行連接.

圖6 天線的加工實物圖Fig.6 Prototype of the proposed array

正如前面描述的,該天線陣列由兩個微波多層板組成,其中饋電層需要和SMP的內(nèi)導(dǎo)體焊接后,才能將輻射層焊接(或粘接)在其上面,由于裝配時會涉及到幾次焊接工序,為了保證產(chǎn)品的可靠性,規(guī)劃為不同的溫度梯度. 具體如下:1)SMP連接器先通過283°的高溫焊接在金屬載板上;2)用217°的高溫將饋電層焊接在載板上;3)通過283°的高溫將SMP針點焊在饋電層的帶狀線焊點上;4)最后再通過183°的高溫,將輻射層焊接在饋電層上,最終完成天線陣列的整體裝配.

天線的端口S11測試基于安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C進行,S11測試曲線如圖7所示,結(jié)果顯示,該天線工作在14.5～18 GHz,其回波損耗優(yōu)于10 dB,對應(yīng)的分?jǐn)?shù)帶寬為19.8%. 實測和仿真的S11曲線有一定差異,主要是裝配需要經(jīng)過幾道工序,會引入一定的誤差,但總體而言,實測和仿真結(jié)果相吻合. 天線陣列的方向圖測試在微波暗室中進行,由于受串饋的方向圖帶寬影響,因此只測試15.5～17.5 GHz的方向圖特性,方向圖實測結(jié)果如圖8所示. 方向圖測試結(jié)果表明,在工作頻率范圍內(nèi),天線陣列的實測副瓣電平均小于-16 dB,與圖2的理論結(jié)果存在一定偏差,一方面是因為理論結(jié)果沒有考慮天線單元的方向圖特性,另一方面是由于加工制造引入的誤差;天線的增益仿真和測試對比曲線如圖9所示,可以看到,天線實測增益比理論值偏低,但帶內(nèi)增益均高于11.7 dBi,總體而言實測和仿真結(jié)果是相吻合的.

圖7 天線的實測和仿真S11對比曲線Fig.7 The contrast S11 curve between measurement and simulation of the proposed array

圖8 天線的實測歸一化方向圖曲線Fig.8 The measured normalized pattern of the antenna

圖9 天線的實測和仿真增益對比曲線Fig.9 The contrast gain curve between measurement and simulation of the proposed array

綜上所述,以上實測結(jié)果和理論雖然存在一定的差異,但這些差異都是在工程允許的范圍內(nèi),說明了設(shè)計的合理性和制造工藝的可靠性.

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的非規(guī)則天線陣列,該陣列采用優(yōu)化算法對陣元坐標(biāo)進行稀布陣布局,并采用微波多層板空腔耦合天線,獲得寬帶和低副瓣性能,同時保證較窄的波束和高增益特性,實測結(jié)果表明,該天線陣列適用于一維相控陣天線. 相比傳統(tǒng)的串饋天線陣,本文提出的天線陣具有更寬的工作帶寬和更高的輻射效率,同時由于采用稀布陣算法,獲得了更低的副瓣電平. 但陣列的設(shè)計參數(shù)過多,設(shè)計起來較為復(fù)雜,移植到其他頻段時,需要花費大量的時間和精力,如果在性能不受影響或影響較小的前提下,能固定更多的尺寸,減少天線的可優(yōu)化尺寸,天線的應(yīng)用將會更廣泛.