唐 聰,高 昕,朱宏權(quán),張金榮,張中山,朱 超

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100095;2.中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036;3.北京理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院,北京 100081)

0 引 言

傳統(tǒng)的反射面天線是依靠機(jī)械伺服裝置來控制天線的物理指向從而控制天線波束,其實(shí)現(xiàn)波束掃描的時(shí)間較長(zhǎng),往往難以跟蹤高速飛行的目標(biāo)。而相控陣天線通過開關(guān)控制每個(gè)天線陣元的饋電相位從而實(shí)現(xiàn)波束掃描,大大提高了波束掃描的速度和靈活性。另外,相控陣天線能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束快速捕獲和跟蹤多個(gè)目標(biāo),而傳統(tǒng)拋物面天線僅僅能夠跟蹤單個(gè)目標(biāo),難以滿足目前全空域多目標(biāo)通信的應(yīng)用需求。

傳統(tǒng)平面相控陣天線隨著掃描角度的增加,增益逐漸降低,其俯仰角覆蓋范圍一般在±60°之內(nèi)[1-3]。為實(shí)現(xiàn)全空域掃描,研究人員提出了多種天線布陣方式,比如將天線陣面傾斜[4]、多面陣[5-6]、加棱鏡[7]、天線罩[8]和圓臺(tái)陣列[9]等。但由于以上布陣方式在圓臺(tái)和側(cè)面連接處存在不連續(xù)性,因此在跟蹤目標(biāo)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波束切換的問題,這對(duì)后端的信號(hào)處理提出了更高的要求,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。球面天線在各個(gè)角度進(jìn)行波束掃描時(shí)能夠保持波束增益幾乎不變,因此該布局方式特別適用于需要大空域或者全空域波束掃描的場(chǎng)合[10-12]。另外,球形陣列天線的陣元都位于球面上,陣元之間是連續(xù)排布,因此波束掃描時(shí)不會(huì)出現(xiàn)波束切換的問題。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),需考慮天線的尺寸以及安裝固定,因此通常將球面陣列天線截?cái)嗉催M(jìn)行半球面陣列天線設(shè)計(jì)。而截?cái)嘣O(shè)計(jì)比較復(fù)雜,往往有很多因素需要考慮[13-15]。

本文針對(duì)全空域多目標(biāo)通信的應(yīng)用需求,采用半球面加圓柱的天線布陣形式,以擴(kuò)大天線的空域覆蓋范圍。為了獲得最佳的天線性能,本文分析對(duì)比了三種不同陣元布局方式下的天線性能,并得到一種最佳的天線布陣方式。

1 半球面天線布局

1.1 單個(gè)陣元

本項(xiàng)目要求天線具有左旋圓極化和右旋圓極化的能力。另外,項(xiàng)目對(duì)天線的結(jié)構(gòu)尺寸也有約束,需要天線具有低剖面、輕量化的特點(diǎn)。因此,天線陣元設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧輕量化和小型化,同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)雙圓極化性能,還應(yīng)考慮極化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。與波導(dǎo)、振子、螺旋等形式的天線相比,微帶貼片天線具有較低的剖面厚度,同時(shí)具有低成本和輕量化的優(yōu)點(diǎn),符合本項(xiàng)目需求,所以選擇微帶天線作為輻射單元。

圖1所示為本項(xiàng)目所采用的天線陣元模型,其主要由輻射貼片、電橋、輻射杯子等部分組成。采用雙點(diǎn)饋電加電橋的形式實(shí)現(xiàn)雙圓極化設(shè)計(jì),通過添加輻射杯子的方式提升天線陣元的增益。輻射貼片為標(biāo)準(zhǔn)矩形貼片,電橋電尺寸為λ/4(λ為對(duì)應(yīng)中心頻率f0處波長(zhǎng)),輻射杯半徑為0.51λ。天線陣元采用基片架高懸空的形式,以提升天線增益,杯高為8.2 mm。

圖1 陣元模型

圖2、圖3和圖4分別給出了該陣元的S參數(shù)、方向圖和軸比,可以發(fā)現(xiàn),該陣元在fL,f0和fH頻率處分別具有8.26 dBi,8.56 dBi和8.49 dBi的增益(fL=0.92f0代表通帶下邊緣頻率,f0代表中心頻率,fH=1.03f0代表通帶上邊緣頻率),在整個(gè)工作通帶內(nèi)該陣元輸入端口回波損耗小于-22.5 dB,隔離度大于14 dB,軸比小于1.3 dB,表明該陣元具有良好的性能。

圖2 天線仿真S參數(shù)

(a)fL

圖4 軸比

1.2 三種布局方式

對(duì)于球面相控陣天線,陣元布局是按照一定的間隔均勻分布在每個(gè)圈層上,如圖5所示。每個(gè)圈層對(duì)應(yīng)的仰角為αn,每個(gè)圈層上的陣元數(shù)目由陣元之間的間距和陣元的物理尺寸決定。設(shè)第n圈上的陣元所對(duì)應(yīng)的方位角為βnm,αn和βnm可由以下公式計(jì)算[2]:

(1)

圖5 球形陣列坐標(biāo)系及其幾何結(jié)構(gòu)

(2)

式中:P是球面圈層的個(gè)數(shù);Q(n)是第n圈上的陣元個(gè)數(shù)。

而對(duì)于半球面相控陣天線,其形狀相當(dāng)于在球體中間平面處截?cái)?因此,當(dāng)波束掃描至90°時(shí)波束增益會(huì)明顯下降。為了解決這一問題,通常采用半球面加柱面的形式,以提高大掃描角度時(shí)波束的增益。

本項(xiàng)目中天線陣面共包含32個(gè)陣元,根據(jù)半球面天線空域覆蓋要求以及單個(gè)陣元的物理尺寸,將陣元排布在4個(gè)圈層,每個(gè)圈層的陣元數(shù)目分別是4個(gè)、8個(gè)、10個(gè)和10個(gè)。單個(gè)陣元的法向與球面半徑方向一致,陣元之間的間距是0.75λ,λ為中心頻率f0所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。圖6給出了一種可能的天線陣元布局形式,其中陣元的指向代表該陣元的法向。設(shè)32個(gè)陣元可以用相同的方向圖函數(shù)表示。由于每個(gè)陣元的法向方向不同,因此整個(gè)陣面的方向圖不能直接用單個(gè)陣元的方向圖乘以陣因子得到,而是需要將單元坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),然后進(jìn)行電場(chǎng)的疊加[16-17]。

(a)側(cè)視圖

球面陣列方向圖函數(shù)為可表示為

(3)

式中:fi(θ,φ)代表球面陣中第i個(gè)陣元的方向圖;(xi,yi,zi)代表第i個(gè)陣元在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(θ0,φ0)代表目標(biāo)所在方向。由式(3)可以發(fā)現(xiàn),陣元的坐標(biāo)位置即天線陣列的布局方式對(duì)整個(gè)天線方向圖有重要影響。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求,天線掃描范圍方位0°～360°,俯仰0°～102.5°。傳統(tǒng)的布局方式通常采用一圈圈同心圓排布,但該布局方式并非具有最佳的天線性能。為了獲得最佳性能的天線,本文提出了3種不同的陣元布局方式,如圖7所示。通過調(diào)整陣元的分布,使得在相同陣元數(shù)目和天線口徑的條件下,天線具有最佳的G/T值。為便于對(duì)比這3種不同布局方式下天線的性能,3種布局方式均采用相同的陣元、相同的陣元間隔和相同的球面直徑。

(a) 第一種排布方式

第一種與第二種排布方式的前三圈陣元法向朝向斜上方空域,僅第四圈陣元法向朝向水平方向,在俯仰0°～90°范圍內(nèi)的陣元均勻分布。這兩種排布方式的區(qū)別在于第二種排布方式對(duì)第四圈陣元的位置旋轉(zhuǎn)了半個(gè)陣子的角度。第三種排布方式是前兩圈陣元的法向朝向斜上方空域,第三、四圈陣元法向都朝向水平方向。與前兩種方式相比,該方式提升了天線在水平方向附近的性能。

采用HFSS對(duì)上述三種模型進(jìn)行仿真,然后對(duì)天線的G/T值、增益、天空噪溫3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算的切面為方位角90°,俯仰角0°～102.5°,其中0°天頂方向。

1)增益G

在全空域形成任意方向的波束時(shí),需要對(duì)32個(gè)陣元進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇。當(dāng)波束指向與陣元法向之間夾角大于一定角度時(shí),該陣元對(duì)整個(gè)天線的增益貢獻(xiàn)較小,可以忽略,此時(shí)就可以不激活該陣元。本項(xiàng)目中以(θ0,φ0)代表波束方向,(θi,φi)代表第i個(gè)陣元的法向。當(dāng)(θ0,φ0)與(θi,φi)之間的夾角小于60°時(shí)激活該陣元,否則不激活該陣元,即只激活與波束指向之間夾角小于60°扇形區(qū)域內(nèi)的陣元。另外,由于球表面每個(gè)天線單元的輻射朝向、極化朝向均不一致,所以還需通過相位補(bǔ)償天線幾何位置帶來的相位不一致[17]。式(4)給出了計(jì)算兩個(gè)向量之間夾角δ的公式,n0代表波束指向向量,n1代表陣元法向向量。式(5)和式(6)分別給出了夾角為δ時(shí)對(duì)應(yīng)的波程差以及對(duì)應(yīng)的相位。

(4)

(5)

(6)

3種不同布陣方式下,天線指向不同角度時(shí)的增益仿真值如圖8所示,可以看出,在大部分俯仰角度內(nèi)第一種和第二種排布方式的增益比第三種排布方式的增益高,只是在仰角95°附近,第三種排布方式的增益稍高,這是由于該排布方式的第三圈和第四圈陣元都是水平方向輻射的緣故。整體而言,第三種排布方式的增益性能不如前兩種排布方式。

圖8 3種排列方式指向不同俯仰角度時(shí)天線增益對(duì)比

圖9給出了波束指向102.5°時(shí)第一種和第二種排布方式的增益仿真結(jié)果對(duì)比,可以看出,這兩種排布方式的最大增益幾乎相同,但第一種排布方式的副瓣在水平方向較高。

(a)方位90°切面

2)天空噪溫Ta以及系統(tǒng)噪溫TS

天空噪聲溫度由方向圖和環(huán)境噪聲溫度分布的乘積的積分確定:

(7)

式中:G(θ,φ)是天線增益方向圖;TS(θ,φ)表示與角度有關(guān)的環(huán)境黑體輻射。上式表明天線的噪聲溫度是環(huán)境噪聲溫度的加權(quán)平均值。TS隨仰角和頻率變化的曲線可從文獻(xiàn)[1]查得,從中可以繪出fH處天線噪聲溫度隨仰角的變化的曲線,如圖10所示。低于水平線角度以下的天空噪溫按300 K計(jì)算。

圖10 頻率為fH時(shí)天空噪聲溫度隨仰角變化曲線

通信目標(biāo)的最低仰角為80°,相控陣天線所安裝的載荷搖擺角度范圍為±22.5°。在大地坐標(biāo)系中,當(dāng)天線波束最低指向?yàn)?0°,載荷搖到22.5°時(shí),波束指向可能會(huì)達(dá)到102.5°(極坐標(biāo)系),在0°～80°范圍內(nèi)可以根據(jù)指向角度對(duì)該空域噪溫進(jìn)行積分;當(dāng)掃描角度超過80°時(shí)(如90°)可以通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)[18],將天空噪溫分布旋轉(zhuǎn)到低仰角上進(jìn)行計(jì)算。

3種不同布局方式的天空噪溫仿真結(jié)果如圖11所示。從圖中可知,第一種排布方式僅在100°仰角附近噪溫偏高,在其他角度相對(duì)于第二種和第三種排布方式噪溫低。第二種和第三種排布方式在65°～90°仰角區(qū)間噪溫偏高,但是在90°以上的仰角區(qū)域噪溫較低,其中第二種排布方式是由于第四圈陣元在方位面進(jìn)行了角度旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),使得低仰角波束對(duì)地一側(cè)的副瓣較低的緣故;第三種排布方式主要是因?yàn)榈谌偷谒娜Φ年囎铀椒较蜉椛?可以獲得較低的副瓣。

圖11 3種排列方式天空噪溫對(duì)比

接收機(jī)的噪聲包括由天線陣元駐波、饋線失配、濾波器插損、低噪聲放大器及其后端接收鏈路引入的噪聲。在本項(xiàng)目中,天線陣元駐波為1.5,由駐波反射帶來增益損失和天線陣元失配為

T1=0 K,

(8)

(9)

陣元之后的濾波器插損為0.7 dB,設(shè)天線的物理溫度為37.7 ℃(310.83 K),由導(dǎo)體損耗計(jì)算等效噪聲溫度可得

T2=(100.7/10-1)×310.83=54.36 K,

(10)

G2=10-0.7/10=0.851。

(11)

考慮饋線駐波1.2,饋線失配的噪聲溫度為

T3=0 K,

(12)

(13)

接收鏈路中采用電橋進(jìn)行圓極化合成,其噪聲系數(shù)為0.8 dB,轉(zhuǎn)換為噪聲溫度為

T4=(100.8/10-1)×290=58.66 K。

(14)

設(shè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)為8 dB,接收鏈路增益為40 dB,即

T5=(108-1)×290=1539.78 K,

(15)

G4=104=10 000。

(16)

將各級(jí)噪聲等效到接收機(jī)入口處時(shí)需考慮設(shè)備級(jí)聯(lián)對(duì)鏈路增益的影響,計(jì)算如下:

Te1=T1=0 K,

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

因此,接收機(jī)入口處總的噪聲等效溫度可以表示為

TS=Te1+Te2+Te3+Te4+Te5=129.2 K。

(22)

3)G/T值

G/T值是接收系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo),又稱為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素,是接收天線增益G與接收系統(tǒng)噪聲等效溫度T的比值。G/T值越大,代表接收系統(tǒng)的靈敏度愈高,計(jì)算公式為

(23)

3種不同布局方式的天空噪溫仿真結(jié)果如圖12所示,可以看出第二種排布方式的G/T值在絕大部分的俯仰角度范圍內(nèi),優(yōu)于其他兩種布陣方式的性能。表1給出了3種不同布局方式下天線性能對(duì)比,可以看出第二種排布方式的整體性能最優(yōu),因此本項(xiàng)目選擇第二種排布方式。

表1 3種不同陣元排布方式下天線性能對(duì)比

圖12 3種排列方式G/T值對(duì)比

2 整體仿真

根據(jù)前文分析,選擇第二種陣元排布方式,經(jīng)過微調(diào)優(yōu)化之后,得到最終的陣列天線,如圖13所示。

圖13 半球面相控陣天線

圖14給出了在中心頻率f0處方向圖掃描仿真結(jié)果,可以看出當(dāng)波束從0°～102.5°掃描過程中方向圖形狀保持良好,主瓣增益波動(dòng)小于2.5 dB。當(dāng)掃描角度達(dá)到102.5°時(shí)旁瓣最高,但與主瓣相差仍大于7.4 dB。另外,隨著掃描角度的增加,交叉極化逐漸提高,這是由于該球面相控陣天線的陣元不在同一平面上,造成陣元之間極化有差別。

(a)φ=0°,θ=0°

圖15給出了該天線在中心頻率f0處不同方位切面下軸比隨著仰角變化的仿真結(jié)果,從中可以看出該天線仰角從70°開始軸比逐漸增大。這是由于隨著仰角的增加,陣元法向逐漸朝向水平方向,與低仰角陣元之間的極化差別逐漸增大,但在整個(gè)掃描范圍內(nèi)軸比始終小于2.8 dB,滿足應(yīng)用需求。

圖15 中心頻率f0處半球面相控陣天線軸比仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適用于全空域多目標(biāo)通信的半球面相控陣天線,詳細(xì)對(duì)比分析了,3種不同陣元排布方式下的天線性能,最終得出了一種最優(yōu)的天線布局。仿真結(jié)果表明,通過將水平朝向陣元旋轉(zhuǎn)一定角度,獲得了兼顧增益與噪溫的高性能天線。本文可為相關(guān)研究提供有益參考。

下一步將研究個(gè)別天線陣元失效對(duì)天線性能的影響。