李金妍 韓志剛 馬漢清

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部裝備項目管理中心 北京 100071)

0 引言

稀布陣列天線的單元數(shù)目較少，在保證窄波束、強方向性等特點的同時，可顯著降低通道數(shù)量，在工程應(yīng)用中具有重要價值。增益和副瓣電平是用來評價陣列天線性能的重要指標，但與同孔徑的滿陣相比，隨著陣元數(shù)目的減少，由于副瓣區(qū)占據(jù)了較多能量，稀布陣的增益顯著降低[1]。

為解決陣列增益降低的問題，本文采用不同增益的單元來實現(xiàn)稀布陣列，通過高增益單元的引入，期望得到遠旁瓣降低的結(jié)果，從而在保證副瓣的前提下，提升陣列增益。擬使用的單元為介質(zhì)棒天線。介質(zhì)棒天線由介質(zhì)棒和饋電結(jié)構(gòu)組成，棒體設(shè)計成漸變結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)，介質(zhì)棒越長，單元增益越高，因此可通過調(diào)整介質(zhì)長度，實現(xiàn)不同的單元增益。

果蠅優(yōu)化算法[2]是受果蠅覓食名為啟發(fā)而提出的一種新型智能全局優(yōu)化算法，在處理復雜非線性問題時具有參數(shù)設(shè)置少、容易調(diào)節(jié)、尋優(yōu)精度高等特點。如果將介質(zhì)天線作為陣元進行稀布優(yōu)化設(shè)計，同時優(yōu)化陣元的分布位置和長度，陣列優(yōu)化的自由度就會變得很大，利用果蠅優(yōu)化算法進行優(yōu)化可獲得高增益、低副瓣的稀布陣列天線。

1 介質(zhì)棒天線單元

一般介質(zhì)天線由激勵源和介質(zhì)棒組成，激勵源設(shè)為微帶線，最大輻射方向位于天線軸向。

圖1 介質(zhì)天線模型圖

圖2 介質(zhì)天線尺寸圖

為了避免出現(xiàn)高次模，則頂面直徑的取值范圍為

(1)

按照增益最大原則[4]設(shè)計的介質(zhì)棒天線，其頂面和底面的直徑分別為

(2)

(3)

對于滿足式(2)、式(3)的介質(zhì)棒天線，其增益主要取決于棒體長度L，最佳長度對于滿足的介質(zhì)天線，最佳長度近似決定于公式(4)條件。

(4)

如果超過這個長度，則會出現(xiàn)抵消性干涉，導致天線增益下降。適當選擇s1和s2的比例，可以將集中在介質(zhì)區(qū)域中的束縛波能量更有效地轉(zhuǎn)換成在空氣區(qū)域中傳播的自由空間波能量。

使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行仿真，中心頻率f=77 GHz，介質(zhì)材料采用聚苯乙烯，其介電常數(shù)εr=2.6。在滿足不產(chǎn)生其他高次模的條件下，盡可能縮小根部直徑D，為后續(xù)組陣優(yōu)化提供更大的自由度，選定D=3.6 mm。在毫米波頻段內(nèi)天線尺寸較小，考慮到實際加工情況，在不影響方向圖的情況下，選定天線頂部直徑d=1.6 mm。仿真結(jié)果如圖3所示，其參數(shù)見表1所示。

表1 不同長度L的天線方向圖參數(shù)

圖3 長度L不同時介質(zhì)天線E面方向圖

仿真結(jié)果表明，隨著天線長度的增加，增益變大，波束寬度變窄。

2 稀布陣列天線優(yōu)化

考慮陣元數(shù)目N=100對陣面陣綜合問題，第一象限布陣范圍為L×H，其中L=100 mm，H=100 mm。中心頻率為f=77 GHz，為了減少互耦的影響并保證布陣時陣元之間不發(fā)生重疊，約束陣元間距dmin不小于1.05倍λ，即4.09 mm。滿陣時陣元數(shù)目為2500，則當前稀稀布率為4%。為利用果蠅優(yōu)化算法對其進行優(yōu)化，優(yōu)化變量為陣元位置坐標(x,y)以及介質(zhì)棒長度L。若優(yōu)化目標為獲得可視區(qū)內(nèi)峰值旁瓣電平最低的稀布陣列，且考慮在xoy平面內(nèi)的掃描特性，掃描角為θ0，則優(yōu)化模型為

(5)

由于陣列關(guān)于xy軸對稱，只需要四分之一單元參與到優(yōu)化過程中對式(5)進行10次運算優(yōu)化后取最優(yōu)解，最終得到的陣列位置分布如圖4所示，陣列的切面方向圖如圖5所示，掃描特性見表2所示。對最優(yōu)陣列進行HFSS仿真，其四分之一仿真陣面排布如圖6所示。

圖4 優(yōu)化后整陣陣元位置分布

圖5 陣列的切面方向圖

圖6 最優(yōu)布陣的四分之一陣面的排布

表3 不同陣列的增益比較

對于上述最優(yōu)布陣，利用積分方法計算其陣列增益為31.92 dB。按照文獻[5]中方法計算可得無方向性點源陣列增益為20.01 dB,可見使用本文方法,增益有顯著提升。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種從微帶結(jié)構(gòu)直接過渡到介質(zhì)棒引向天線的結(jié)構(gòu)，通過對介質(zhì)天線不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和仿真，可以得出，在一定的增益范圍內(nèi)可通過控制天線的長度或介質(zhì)棒直徑實現(xiàn)增益與波束寬度的調(diào)整。以該介質(zhì)棒天線作為陣元，利用果蠅算法對陣元位置及長度進行稀布優(yōu)化，通過Matlab計算優(yōu)化后的陣列增益為30.72 dB，相比于相同排布的無方向點源陣列增益提高10.71 dB，各個切面的副瓣電平均低于-20 dB，同時在±15°實現(xiàn)了較好的掃描特性。