邢春超， 段 敏

(招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

隨著全國交通網(wǎng)絡的建設，橋梁運營健康監(jiān)測日趨重要，其中橋梁結構變位監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的核心內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的連通管法、加速度儀、應變儀等監(jiān)測手段[1-3]，很難同時實現(xiàn)靜態(tài)監(jiān)測和動態(tài)監(jiān)測[4-5]，而微形變雷達技術具有遠距離測量、高精度、數(shù)據(jù)采集方便、全天候持續(xù)監(jiān)測等優(yōu)勢，很好地彌補了常用橋梁變位監(jiān)測技術的不足。

微形變雷達的工作原理是通過觀測計算目標對電磁波相位的影響實現(xiàn)高精度測距，其天線一般采用饋電式微帶線陣天線。其中微帶天線的饋電分為串聯(lián)饋電與并聯(lián)饋電，2種饋電方式中串聯(lián)饋電的饋線較短，可減小饋電網(wǎng)絡的損耗，提高天線工作效率，且各個輻射單元間排列較為緊密，減小了天線體積，實現(xiàn)了雷達的小型化。微帶天線具有平面結構易于加工和饋電、易于與電路集成、生產(chǎn)成本低、輻射效率高等優(yōu)點，采用微帶天線有助于產(chǎn)品小型化、集成化。為此，本文針對毫米波頻段微形變雷達的串饋式微帶線陣天線展開研究。

1 天線設計單元設計與仿真

微帶天線通常由一個薄介質基板構成，其中一面附著金屬導體作為接底板，另一面附著金屬貼片。微帶天線的分析方法為等效分析法，它又分為等效磁流法和電流分析法，本文采用電流分析法對微帶線陣天線的單個陣元進行理論分析與設計。

最常見的矩形微帶天線的結構形式如圖1所示。其中性能參數(shù)包括貼片的長度L、寬度W、介質層的厚度h、介質的相對介電常數(shù)εr及其損耗角正切。微帶天線周圍為均勻介質時，天線電磁波傳播模式是 TEM 模，實際應用中微帶天線的一側為介質基板，另一側為空氣，天線電磁波在不均勻介質中傳播，電磁波傳播模式為準TEM模[6-8]。

圖1 微帶天線陣元

在毫米波頻段，較厚的電路基板易激勵引起較嚴重的表面波雜波，較薄的電路基板可有效改善基板表面波的影響，同時較薄的基板能有效減小線路的尺寸，縮減整個天線陣列的體積，為此本文采用羅杰斯公司的RO4835 LOPRO電路介質基板，板材厚度僅為0.101 6 mm， 介電常數(shù)為3.66，損耗角正切為0.003 7。

微帶天線陣元的貼片結構尺寸由式(1)計算得到：

(1)

式中：εr為介質基板的相對介電常數(shù)；h為基板厚度，mm；f為工作頻帶的中心頻率,GHz；c為真空中的光速,m/s；w為微帶天線陣元的寬度,mm；L為微帶天線陣元的長度,mm；ΔL為等效輻射縫隙長度,mm；εe為有效介電常數(shù)。

介質基板選擇RO4835，εr=3.66，h=0.101 6 mm，本文所研究的微帶天線工作在76 GHz～81 GHz頻段，取中心頻率f=78.5 GHz，c=3×108m/s，由式(1)計算可得微帶天線陣元結構尺寸，寬W=1.251 8 mm，長L=0.954 1 mm。為獲得更好的微帶天線陣元S11參數(shù)，采用Ansoft HFSS仿真軟件對陣元結構的長度和寬度，以及四分之一波長阻抗轉換器的長度和寬度在理論值附近進行優(yōu)化，如圖2(a)所示；優(yōu)化后陣元結構的寬度W=1.25 mm，長度L=0.93 mm，優(yōu)化后的陣元天線輸入端口反射參數(shù)S11如圖2(b)所示。

(a) HFSS仿真模型

(b) 端口S11參數(shù)

(c) 天線輻射三維圖

(d) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面

單個矩陣微帶天線的三維輻射方向圖如圖2(c)所示。由圖2(c)可知，單個矩陣微帶天線的增益較小，僅為5.9 dB；圖中的Theta和Phi為對應球坐標系的參數(shù)。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖2(d)所示。由圖2(d)可知，XZ截面(即電場E面)半功率波束寬度為80°，YZ截面(即磁場H面)半功率波束寬度為105°。由圖2(c)、(d)可知，單個矩陣微帶天線的陣元天線輻射效率較低，為獲得更好輻射性能參數(shù)的微帶天線，需進一步改善天線的設計，微帶線陣天線就是一種改善性能參數(shù)的天線設計形式。

2 微帶線陣天線的設計與仿真

微帶線陣天線是由多個完全相同的貼片天線陣元組成的離散陣列天線，根據(jù)陣元分布的不同可分為線陣天線和面陣天線，根據(jù)各陣元激勵振幅是否相等分為等幅陣列和不等幅陣列，饋電方式分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電，本文研究等幅和不等幅串聯(lián)饋電線陣天線。

2.1 等幅串聯(lián)饋電線陣天線

采用Ansoft HFSS仿真模型建立的等幅串聯(lián)饋電線陣天線由16個陣元組成，如圖3(a)所示，陣元間距為一個波長，陣元的結構尺寸在前文已計算，通過優(yōu)化陣元間距及陣元間距的寬度可改善天線的增益及副瓣電平[9-10]。當中心頻率f為78.5 GHz時，對線陣天線仿真優(yōu)化，此時天線陣的增益為15.7 dB，副瓣電平為6 dB。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖3(b)、(c)所示。由圖3(b)、(c)可知，XZ截面(即電場E面)半功率波束寬度為9°，YZ截面(即磁場H面)半功率波束寬度為70°。

(c) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面

優(yōu)化結果的增益及半功率波束電場寬度參數(shù)可滿足微形變雷達的應用要求，但副瓣電平較高[11]，不能滿足微形變雷達的要求。為降低副瓣電平，采用不等幅陣元的分布方式(道爾夫-切比雪夫分布)來實現(xiàn)，但這可能會犧牲線陣的主瓣寬度。

2.2 等幅串聯(lián)饋電線陣天線

道爾夫-切比雪夫分布的各個陣元，需計算各個陣元結構尺寸的最優(yōu)分布比例系數(shù)；天線陣列的陣元為偶數(shù)ne,陣元間距為d，中心對稱的各個陣元的激勵振幅在與天線法線夾角為θ方向產(chǎn)生的遠區(qū)場為[12-15]：

(2)

(a) 仿真模型

(b) 天線輻射三維圖

為確保天線陣列各個陣元的波束相位相同，陣元間距為一個波長，輻射場在天線的法線方向。

切比雪夫多項式的一般表達式為：

Tm(x)=cos(marccosx)

(3)

式中：m=1,2,3,…，-1≤x≤1。

表達式滿足遞推公式：

Tm+1(x)=2xTm(x)-Tm-1(x)

(4)

對于由n個微帶陣元組成的天線陣，令其天線輻射的遠場分布與相應的n-1次切比雪夫多項式相等，根據(jù)同冪次項的系數(shù)對應相等，即可求出微帶線陣中各個陣元的激勵幅度分布。副瓣電平由公式(5)計算獲得：

(5)

(6)

式中：R0為副瓣電平，dB；N為天線陣列中心一側的陣元數(shù)目。

本文設計的微帶線陣天線陣元數(shù)目為16，線陣的副瓣電平為-15 dB，由式(2)～(6)計算可得線陣中各陣元輻射功率比(從中心到外側)，如表1所示，中心的陣元寬度前文已計算為W=1.25 mm，依據(jù)表1的比例系數(shù)計算其余陣元的寬度。

表1 微帶線陣天線陣元寬度比例分布

由不同寬度的陣元組成線陣天線，建立Ansoft HFSS仿真模型，如圖4(a)所示。

基于陣元道爾夫-切比雪夫分布的微帶天線陣列Ansoft HFSS仿真結果，微帶天線陣列的增益為14.8 dB，副瓣電平為-14 dB。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖4(b)、(c)所示。由圖4(b)、(c)可知，XZ截面(即電場E面)半功率波束寬度為10°，YZ截面(即磁場H面)半功率波束寬度為70°。在同等數(shù)量的陣元情況下，道爾夫-切比雪夫分布的不等幅陣元分布較于等幅分布的天線陣列，增益僅損失1 dB，但副瓣電平得到了較好的抑制，二者相差近20 dB,天線的主瓣寬度基本一致。

(a) HFSS仿真模型

(b) 天線輻射三維圖

(c) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面

上述3種天線的技術參數(shù)對比如表2所示。由表2可知，16陣元按照道爾夫-切比雪夫分布可獲得較高的增益、較低的副瓣電平以及較窄的波束寬度。

表2 3種天線類型的技術參數(shù)對比

3 結束語

本文設計了一種中心頻率為78.5 GHz的串聯(lián)饋電的毫米波微帶線陣天線，并進行了理論分析和設計仿真，通過對比分析等幅與不等幅陣元分布，得出如下結論：

1) 16個天線陣元等幅分布時，可大幅度提高天線的增益，相比單陣元，增益由5.9 dB提高到15.7 dB，但副瓣電平較高為6 dB，天線輻射波束分散，降低了天線性能。

2) 16個天線陣元不等幅按照道爾夫-切比雪夫分布時，相比單陣元，增益由5.9 dB提高到14.8 dB，且副瓣電平較低，為-14 dB，提高了天線輻射效率。

綜上所述，采用微帶天線多陣元道爾夫-切比雪夫式分布是提高天線輻射性能的有效方法，這種設計利于產(chǎn)品小型化及集成化，為微形變雷達的微帶天線設計提供了一個較好的實現(xiàn)途徑。