苗祥斌，王偉健*，姚 雷，王 鵬

(連云港市氣象局，江蘇 連云港222000)

1 引言

準(zhǔn)確而及時(shí)的氣象信息是進(jìn)行氣象預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，也是應(yīng)對(duì)各種突發(fā)性氣象事件的前提條件。獲取氣象信息的重要手段之一是智能氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前我國(guó)的智能氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本可以滿足行業(yè)的需求，但與國(guó)外相比還存在較大的差距，有很大的發(fā)展空間。在眾多氣象信息的檢測(cè)中，溫濕度監(jiān)控作為重要的組成部分，關(guān)系到工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和人類日常生活中的方方面面[1]-[3]。因此各類環(huán)境下的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得越來越重要。由于傳統(tǒng)的有線溫濕度監(jiān)控存在著受環(huán)境限制、維護(hù)困難和維修成本較高、功耗較高、布線復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)，在很多場(chǎng)合都難以符合實(shí)際的需求。這就需要一種分布自由、易于維護(hù)、能耗低、可監(jiān)控范圍廣，而且能對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的無線解決方案[4]。

信息化時(shí)代的發(fā)展推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的建立，也推動(dòng)了氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代。物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物品等通過新的方式聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的網(wǎng)絡(luò)[5，6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一直是重要的研究領(lǐng)域，現(xiàn)代化的氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一種由大量自組織型節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)，主要對(duì)環(huán)境的溫濕度等各類氣象要素的變化進(jìn)行實(shí)際監(jiān)控。

目前常見的實(shí)現(xiàn)多波束掃描的方法有微波透鏡、拋物面天線和陣列天線等[7-10]，利用超材料表面改變電磁波相位可同時(shí)獲得多個(gè)波束，但無法靈活變換輻射狀態(tài)。如果雙模天線作為收發(fā)射天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與傳輸，通過模式的切換，則可以實(shí)現(xiàn)高能量傳輸效率。目前雙模陣列天線的研究主要局限在對(duì)不確定的目標(biāo)的無線傳輸?shù)那闆r上，現(xiàn)有的全向天線共和定向天線只能一種輻射模式。因此，多種輻射模式的陣列天線技術(shù)的研究對(duì)現(xiàn)代化氣象監(jiān)測(cè)的發(fā)展十分重要。

2 天線陣列設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)

印刷偶極子天線常用于線陣和平面陣列中，條帶狀雙臂臂長(zhǎng)決定印刷偶極子的工作頻率。由于介質(zhì)基板的存在，其雙臂臂長(zhǎng)與傳統(tǒng)的半波偶極子相比較短。因此，通過選擇不同介電常數(shù)的基板，可以達(dá)到縮短臂長(zhǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線小型化的目的。兩個(gè)臂的臂寬影響印刷偶極子的帶寬。印刷偶極子本身帶寬較窄，相對(duì)帶寬一般不超過10%，通過適當(dāng)?shù)卦黾颖蹖挄?huì)在一定程度上展寬印刷偶極子的帶寬。除此之外，增加基板的厚度也可以實(shí)現(xiàn)更寬的匹配帶寬。

為了減小天線尺寸，充分利用基板空間，選擇圓弧形偶極子作為天線單元，八個(gè)相同單元均勻分布在圓形基板上，如圖1所示?；宀牧蠟镕R4(厚度為1.6mm、介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02)。通過在基板中心放置圓環(huán)反射器，提高天線在多向端射模式下各個(gè)方向上的性能。在HFSS仿真軟件中建模并進(jìn)行優(yōu)化，得到具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：R1=80mm、R2=76mm、R3=44mm、R4=17mm、R5=15mm，圓環(huán)和偶極子的寬度設(shè)為2mm圓弧偶極子的形狀雖然改變，但是電長(zhǎng)度沒有改變，單臂仍約為1/4波長(zhǎng)(30.5mm)。

圖1 八單元偶極子天線陣列

2.2 加權(quán)功率傳輸最優(yōu)化方法

為了在多個(gè)目標(biāo)方向同時(shí)形成多個(gè)波束，在需要產(chǎn)生波束的方向放置與發(fā)射天線單元同樣尺寸的接收天線，與所設(shè)計(jì)的陣列天線一起構(gòu)成一個(gè)無線功率傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 功率傳輸系統(tǒng)

無線功率系統(tǒng)由一個(gè)八單元發(fā)射天線和四個(gè)偶極子接收天線組成，可以看作一個(gè)十二端口網(wǎng)絡(luò)，其性能可由散射參數(shù)表征[11-14]。散射參數(shù)可以通過HFSS仿真軟件得到。傳輸效率用E表示

(1)

為了使得每個(gè)波束增益可調(diào)，引入對(duì)角矩陣[W]=diag(w1，w2，…，w4)對(duì)系統(tǒng)中的[br]進(jìn)行加權(quán)。假定整個(gè)系統(tǒng)是匹配的，若傳輸系統(tǒng)的效率達(dá)到最大，由等式(1)可以得到如下特征值方程[15-17]

[A′][at]=E[at]

(2)

其中

[Srt]為散射子矩陣。方程(2)中的最大特征值，即為傳輸效率E的最大值，此時(shí)得到的特征向量[at]就是整個(gè)系統(tǒng)傳輸效率最大時(shí)發(fā)射天線的最佳激勵(lì)分布。

2.3 射頻電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多種工作模式切換，設(shè)計(jì)了一款射頻饋電電路。每個(gè)支路上由移相器、衰減器、滑動(dòng)變阻器等組成，電路原理圖如圖3所示。

圖3 射頻電路原理圖

射頻饋電電路的實(shí)物如圖4所示，為了有效的避免各支路之間相互干擾，通過加入功率分配器來將支路之間的隔離度控制在-25dB以下。

圖4 射頻饋電電路

通過改變衰減器和移相器所在電路中滑動(dòng)變阻器的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減器和移相器的電壓的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各支路輸出的幅值和相位的控制，使其能夠輸出滿足不同輻射模式下各端口的最優(yōu)幅值相位分布情況。為了增大輸出電壓的可調(diào)范圍以及保證電壓輸出的穩(wěn)定性，在電路的設(shè)計(jì)在各支路中的增加了升壓電路和穩(wěn)壓電路。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

天線陣列中單個(gè)偶極子單元的反射系數(shù)的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示，中心頻率為2.45GHz，天線單元帶寬(反射系數(shù)低于-10dB)覆蓋2.35-2.65GHz，達(dá)到300MHz。

圖5 天線的仿真實(shí)測(cè)S參數(shù)結(jié)果對(duì)比圖

通過加權(quán)功率傳輸最優(yōu)化理論優(yōu)化得到的多向端射智能陣列天線各個(gè)天線單元的激勵(lì)分布如表1所示。當(dāng)陣列天線工作在Mode1狀態(tài)下，天線的八個(gè)端口的幅值相位如表1 Mode1所示。天線的方向圖如圖6(a)、(b)所示，xoy面呈現(xiàn)全向性，同時(shí)yoz面也呈現(xiàn)了很好的對(duì)稱性，天線為全向輻射，全向增益為2.8dBi，實(shí)測(cè)和仿真吻合較好。

圖6 天線工作在Mode1時(shí)方向圖仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

當(dāng)天線的八個(gè)端口的幅值相位如表1 Mode 2所示時(shí)。天線的方向圖如圖7(a)所示，陣列天線在水平面φ=0°，90°，180° 和 270°四個(gè)方向同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)相同的波束，每個(gè)波束上是的增益為5.7dBi，當(dāng)天線的八個(gè)端口的幅值相位如表1 Mode 3所示時(shí)，陣列天線在水平面同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)波束如圖7(b)所示，其中在φ=0°，90°，180°三個(gè)方向產(chǎn)生三個(gè)相同的波束，每個(gè)波束的增益為6.3 dBi，在φ=270°產(chǎn)生一個(gè)增益為3.3 dBi的波束，比其它三個(gè)方向小3 dB。由于陣列天線的對(duì)稱性，增益小的波束的方向可以是水平面四個(gè)方向中的任意方向。

當(dāng)給予四個(gè)接收天線不同的權(quán)值時(shí)得到天線的八個(gè)端口的幅值相位如表1 Mode 4時(shí)，如圖7(c)所示，此時(shí)陣列天線在水平面φ=90°，180°，270°三個(gè)方向產(chǎn)生三個(gè)大小為4.5 dBi的波束，在φ=0°方向上產(chǎn)生一個(gè)增益為7.5dBi的波束，比其它三個(gè)方向大3dB。同樣由于陣列天線呈現(xiàn)了很好的對(duì)稱性，增益大的波束的方向可以是水平面四個(gè)方向中的任意方向。當(dāng)只給一個(gè)接收天線賦值時(shí)，陣列天線的八個(gè)端口的幅值相位如表1 Mode 5所示。此時(shí)陣列天線的輻射模式為定向輻射，最大增益為9.7 dBi，如圖7(d)所示。由于陣列天線的對(duì)稱性，陣列天線可以在水平面φ=0°，90°，180° 和270°四個(gè)方向上任意一個(gè)方向形成定向輻射模式。

表1 八單元偶極子陣列各端口的幅值相位分布

圖7 天線工作在Mode2、3、4、5時(shí)方向圖仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 總結(jié)

本文利用加權(quán)最大功率傳輸效率法設(shè)計(jì)了一款多波束雙模掃描陣列天線，可通過改變八個(gè)天線單元幅值相位可以靈活控制天線波束的數(shù)量和指向以及各個(gè)波束之間輻射功率比例。該設(shè)計(jì)方法同時(shí)能保證各個(gè)波束增益的最大化，適用于任意復(fù)雜環(huán)境，任意天線單元和排列構(gòu)型，能克服傳統(tǒng)陣列天線設(shè)計(jì)的局限性，有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)現(xiàn)代化氣象監(jiān)測(cè)的發(fā)展十分重要。