曲元君，鄭文超*, 張 洪

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 太陽(yáng)能發(fā)電及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068； 2. 武漢中原電子集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430205)

0 引言

紅外探測(cè)是火災(zāi)檢測(cè)的主要手段，但在能見(jiàn)度不足的情況下，傳統(tǒng)的紅外探測(cè)手段難以有效定位火點(diǎn)。而微波輻射探測(cè)由于其可穿透性，能在被植被、濃煙等遮擋情況下，仍能檢測(cè)出熱源，發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，因此微波輻射探測(cè)是火災(zāi)檢測(cè)手段的重要補(bǔ)充，具備廣泛的應(yīng)用前景。天線作為微波輻射計(jì)系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能(增益、旁瓣、效率等)與微波輻射計(jì)的探測(cè)靈敏度、探測(cè)距離密切相關(guān)。

微波火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的天線常采用喇叭天線。喇叭天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、功率容量大[1]。但是喇叭天線的體積一般偏大，不適合作為微波輻射計(jì)的檢測(cè)天線。相控天線具有掃描功能[2]，但電路復(fù)雜，體積龐大[3]，也不適合。微帶天線因?yàn)槠淦拭姹?、印制?jiǎn)單，起初是作為導(dǎo)彈和火箭上的共形天線使用，目前已被大范圍應(yīng)用在飛行器和便攜設(shè)備上。微帶天線固然也有缺點(diǎn)，比如帶寬窄[4]、效率較低[5]，但是微帶天線的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：體積小，重量輕，易與載體共形，且陣列化后用可與Wilkinson功分器相連，通過(guò)功分器工作在不同的工作模式[6]?；谏鲜龇治?，針對(duì)接收天線小體積、高增益的要求,提出一種共形的微帶柵格天線，在繼承微帶天線體積小、成本低優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)共形結(jié)構(gòu)，保持低旁瓣、高增益的特性。

1 火災(zāi)檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景及對(duì)共形天線的要求

微波輻射計(jì)在火災(zāi)檢測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，微波輻射計(jì)的接收天線負(fù)責(zé)采集火點(diǎn)發(fā)出來(lái)的電磁信號(hào)，微波輻射計(jì)可采用手持式或者頭戴式，頭戴式需一般采用共形結(jié)構(gòu)?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)由于煙霧濃度大、障礙物多，使得紅外信號(hào)衰減非常明顯，設(shè)計(jì)的接收天線通過(guò)捕捉電磁波信號(hào)，能夠有效地檢測(cè)到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)?？紤]到信號(hào)的頻率與可利用頻帶寬度有緊密的聯(lián)系，頻率越高，頻帶寬度就越寬，采用33 GHz的天線作為接收天線。在保證信息容量的同時(shí)也確保信號(hào)的穿透能力不至于太弱。

圖1 接收天線在火災(zāi)的應(yīng)用場(chǎng)景Fig. 1 Application scenario of receiving antenna in fire

1.1 共形天線的優(yōu)勢(shì)

共形天線是一種和物體外形保持一致的天線，目的是讓天線能夠和物體結(jié)構(gòu)相融合，讓天線不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)外部條件十分惡劣，對(duì)檢測(cè)天線的體積也有較高的要求，天線共形后可以有效地減少檢測(cè)天線的體積。

1.2 共形天線的選型

共形天線由其共形的曲面不同可分為單曲面天線、雙曲面天線、混合表面天線[7-8]。單曲面天線(尤其是圓柱面)能夠方便地展開(kāi)和分解平整表面，且關(guān)鍵參數(shù)可由二維分析獲得[9]，并且共形后可以穿過(guò)部分吸波材料[10]，穿透力強(qiáng)。因此圓柱面共形天線的應(yīng)用非常多。圖2是基于高頻仿真軟件HFSS所設(shè)計(jì)的共形天線結(jié)構(gòu)圖,由圖2可知，共形天線由天線陣元、單曲面介質(zhì)基板和饋電探針組成，下面會(huì)定量地分析天線陣元，使天線在共形的條件下實(shí)現(xiàn)低副瓣、高增益的性能。

圖2 共形天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Conformal antenna structure

2 火災(zāi)檢測(cè)天線的基本結(jié)構(gòu)

2.1 天線陣元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于火災(zāi)檢測(cè)天線的基本要求，選擇了柵格微帶天線陣列作為檢測(cè)天線，柵格天線是一種輕薄的輻射元件，主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)襯底以及若干個(gè)金屬板組成，襯底稱為地平面[11]。然后用印刷電路技術(shù)將薄金屬導(dǎo)體沉積在基板上，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柵格天線的基本結(jié)構(gòu)Fig. 3 Basic structure of grid antenna

2.2 天線陣元的參數(shù)計(jì)算

柵格天線陣的陣元長(zhǎng)、寬以及陣元相鄰的線寬均與其匹配的頻率有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，可以得到柵格天線的一般經(jīng)驗(yàn)公式。其中陣元單元的長(zhǎng)S與寬L可以表示為：

S=8.09 mm=0.447λ,

(1)

L=17.80 mm=0.983λ,

(2)

W=4α=0.027λ。

(3)

其中:λ是在33 GHz的工作頻率下的波長(zhǎng) ，α是歸一化后的常數(shù)。計(jì)算得到每個(gè)陣元單元的初始值S=3.6 mm，L=7.2 mm，陣列單元之間的線寬W=0.36 mm。設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)高頻結(jié)構(gòu)仿真器HFSS進(jìn)行仿真，仿真的模型圖如圖4所示,介質(zhì)基板采用Rogers RT5880，介電常數(shù)ε=2.2，厚度h=2 mm。Ln是第n個(gè)陣列單元的長(zhǎng)度，Wn是第n個(gè)陣列單元的寬，rn表示陣列單元垂直方向的線寬，Rn表示陣列單元水平方向的線寬。

圖4 天線陣元的3D模型Fig. 4 3D model of antenna element

天線陣列采用50 Ω的同軸線饋電，由式(1)～(3)可以知道，Ln、Wn、rn、Rn與天線的工作頻率有著密切的關(guān)系，仿真后的方向圖如圖5,從仿真的結(jié)果看，設(shè)計(jì)的格天線陣列雖然初始增益非常高(12.3 dB左右)，但是它的旁瓣電平也比較高(-3.45 dB)。與預(yù)期值相比有一定的距離，所以運(yùn)用泰勒加權(quán)法(Taylor weighting)以及將天線陣元陣列化，來(lái)分別降低天線的旁瓣電平以及天線的增益。

圖5 天線陣元的E面方向圖Fig. 5 E-plane patterns of antenna array elements

3 天線陣列優(yōu)化

陣列天線的單元數(shù)目、單元間距、單元線寬等陣列單元的相關(guān)參數(shù)決定了陣列天線的方向圖的主瓣寬度、副瓣電平等特性[13]。陣列單元的相關(guān)參數(shù)可以看作陣因子，而陣列天線的方向圖可以看作為陣列函數(shù)，下面運(yùn)用泰勒加權(quán)法來(lái)調(diào)整陣因子，進(jìn)而可以得到陣列函數(shù)。

3.1 泰勒加權(quán)法降低旁瓣電平

泰勒加權(quán)綜合法是通過(guò)切比雪夫多項(xiàng)式，對(duì)陣元的激勵(lì)幅度進(jìn)行加權(quán)[14]，使天線的輻射方向符合所要求的特性，通過(guò)文獻(xiàn)[15-17]可以總結(jié)出泰勒加權(quán)的一般步驟：

1)根據(jù)給定副瓣電平的要求SLL=-15 dB求得主副瓣電平之比R0,

(4)

2)求出常數(shù)A值,

R0=cosh(πA)。

(5)

3)確定常數(shù)值:

(6)

4)確定泰勒方向圖的各個(gè)根xn:

(7)

(8)

In=I(zn)=1+

(9)

根據(jù)泰勒加權(quán)的一般步驟，把陣列單元的線寬一一進(jìn)行賦值，如圖6所示,可以得到各縫偏離中軸的距離值，見(jiàn)表1。

圖6 泰勒加權(quán)示意圖Fig. 6 Taylor weighting diagram

優(yōu)化和微調(diào)以后改進(jìn)模型如圖7所示。利用HFSS軟件對(duì)優(yōu)化后的陣元進(jìn)行仿真，將得到的結(jié)果跟優(yōu)化前的天線進(jìn)行對(duì)比，其中紅色曲線是優(yōu)化后的增益曲線，藍(lán)色曲線是優(yōu)化前的增益曲線。結(jié)果如圖8所示。

表1 各縫偏離中軸的距離值Tab. 1 Distance value of each seam from the central axis

圖7 優(yōu)化后的陣元模型圖Fig. 7 Optimized element model diagram

圖8 優(yōu)化后的E面方向圖Fig. 8 Optimized E-plane patterns

通過(guò)優(yōu)化后可以看出，柵格天線陣列的增益從原來(lái)的12.4 dB增加到了17.4 dB，旁瓣電平為-12.43 dB。改進(jìn)后的天線性能得到增強(qiáng)。

3.2 天線陣元陣列化及共形

天線陣的工作原理可以看成電磁波的疊加，因此將天線陣元陣列化以后，天線的增益會(huì)變得更高。陣列化后的天線模型如圖9。

圖9 陣列天線模型圖Fig. 9 Array antenna model

將6個(gè)陣元天線在y軸方向進(jìn)行疊加，用過(guò)HFSS仿真后，得到天線陣列的增益曲線，用改進(jìn)后的天線陣元與圖5設(shè)計(jì)的陣列天線單元的方向圖進(jìn)行比較，比較圖如圖10。

圖10 陣列天線E面方向圖Fig. 10 E-plane pattern of array antenna

可以看到天線陣列的增益的確有顯著的增強(qiáng)。雖然由于疊加效應(yīng)的緣故，旁瓣也有所增加。但是由于旁瓣電平本來(lái)就處于一個(gè)較低的水平，所以疊加以后的值也非常低。設(shè)計(jì)好六元陣列以后，下面進(jìn)行天線的共形。

共形天線的分析不同于普通的線陣和平面陣，具有很多復(fù)雜的因素，比如共形曲面的曲率等。典型的情況如圖11所示，為單層基板的探針饋電微帶貼片天線，用未知的等效面電流替換無(wú)限薄微帶貼片，這是一個(gè)等效(外部)問(wèn)題，

共形天線的分析非常困難，但是基于圓柱表面的共形有很多研究人員進(jìn)行了大量的研究。把共形天線的截面基板半徑設(shè)為100 mm,根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]得到共形后的貼片天線如圖11。

共形前的天線陣列E面方向圖(紅色曲線)與共形后的陣列方向圖(藍(lán)色曲線)如圖12所示。

圖11 共形天線模型Fig. 11 Conformal antenna model

圖12 共形天線E方向圖Fig. 12 E-plane pattern of conformal antenna

由于共形的原因，共形后天線的增益有所衰減，但是衰減后的增益依然很高，輻射效率大于50%，符合火災(zāi)檢測(cè)的要求。

4 結(jié)論

提出了柵格微帶天線的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方法，優(yōu)化的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)微帶天線的線寬與天線的旁瓣電平和主瓣電平有十分密切的關(guān)系。通過(guò)泰勒加權(quán)法對(duì)微帶柵格天線進(jìn)行合理的優(yōu)化，使得優(yōu)化后的天線旁瓣電平降低至-15.04 dB，增益增加至18.69 dB，增加了柵格微帶天線的定向性。由于共形天線的特點(diǎn)就是與載體外形保持一致，因此共形天線有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在檢測(cè)領(lǐng)域運(yùn)用非常廣泛。但是共形陣的各天線陣元并不在一個(gè)陣面上，因此，一些特殊的共形陣的分析和工程實(shí)現(xiàn)難度較大。設(shè)計(jì)的柵格天線陣列體積小、方向圖穩(wěn)定、易于安裝加工且具有強(qiáng)穿透能力?？蓱?yīng)用于多數(shù)火災(zāi)檢測(cè)輻射設(shè)備。