用于无人机探测的低成本接收多波束阵列设计

西安电子工程研究所 石伯翔 黄 勇

引言

随着无人机技术的发展，无人机在民用领域得到了普及，但随之带来了严重的安防问题，不法分子利用无人机实施走私、贩毒、投放枪支等违法犯罪活动，严重危害社会公共安全。对具有潜在威胁或者已构成实际危害的无人机，常采用干扰技术、诱捕技术、毁伤技术[1]等对其进行反制。本文设计了低成本多波束天线阵列，该阵列采用锥台结构实现了较大空域的波束覆盖。俯仰维利用模拟波束合成方法，设计了多层PCB集成多波束板，完成了四馈源形成四波束的任务，通过射频开关实现了波束选择的功能，由于在俯仰维采用了模拟波束合成的方法形成了窄波束，在该维度上具有角分辨率；方位维采用数字波束形成方法实现了波束360°扫描。

1.阵列设计

圆柱阵与锥台阵是两种典型的可提供方位维360°波束扫描的电控阵列[2]，其结构如图1、图2所示。

图1 锥台阵Fig.1 Cone array

图2 圆柱阵Fig.2 Cylindrical array

以图1、图2中坐标系为基准，根据文献[3],锥台阵与圆柱阵天线方向图函数如(1)、(2)式，

由于在锥台阵和圆柱阵中，阵元空间指向不同并且每个阵元在辐射口径上存在相位差，导致各阵元即使等幅同相激励，也无法在空间某一固定方向形成最大辐射[4]。若想让波束指向，必须对阵元进行相位补偿。锥台阵阵元馈电相位如(3)式：

对于圆柱阵，阵元馈电相位如(4)式，

由(7)、(8)式，由于锥台阵每层圆环半径各不相同，馈相值与行、列相关，导致锥台阵的馈相更为复杂。

在方位维上，两种阵列均可采用开关矩阵或者数字波束形成算法实现360°波束扫描；锥台阵与圆柱阵相比，其具有一定的倾角α，假设阵列俯仰维最大扫描角（偏离法线）为 θmax，阵列与地面的倾角为α，则俯仰维扫描范围为：

由式(5)可以看出，在俯仰维锥台阵比圆柱阵有更大的波束扫描范围，面向较低假设的探测天线，锥台阵具有一定的优势。

图3 俯仰维多波束单元原理图Fig.3 Pitch multi-beam principle graph

2.接收多波束形成

俯仰维采用模拟波束合成方法[4]。模拟多波束合成馈电方法有串联馈电法、并联馈电法和空间馈电法。本设计中，俯仰维多波束单元采用并联馈电形式，其原理图如图3所示。信号由天线接收后，先由功分器分成四路信号，每路信号由微带移相线提供馈电相位差，馈相后的信号再由功分器合成输出，实现四馈源产生四波束的功能，最后由射频开关对波束进行选择，从而完成波束在俯仰维上的空域覆盖。为了在俯仰维覆盖0°～70°的空域，四个波束分别指向0°、12.5°、27.1°、40.6°；四组波束所需馈相值为0°、40.49°、84.5°、122.76°。

3.多层PCB集成多波束板设计

为了实现俯仰维波束形成，设计了多层PCB集成多波束板。PCB板采用FR4材料，相对介电常数 εr= 4.4，单层板厚h=0.3mm，微带线宽w=0.5mm，多波束板整体板厚H=1mm，功分器、射频开关、微带相位线分别排布在多层PCB板上下表面，板间信号通过通孔进行传输。多波束版整体尺寸长度L=203.06mm，上边长W1=28.63mm,下边长W2=55.21mm。采用多层PCB结构，布线时充分利用PCB板的空间，微带线之间距离远，可以尽量减少微带线间耦合产生的影响，保证相位精度。相邻天线单元间的馈电相位差由相位线提供。由传输线理论知，电磁波在传输线中传输，其相位变化与传输线长度有关。四组波束馈电相位值对应的相位线长度分别为：Δl1= 0mm，Δl2= 7.2mm、Δl2= 15.3mm，Δl4= 22.3mm。

图4 陶瓷贴片天线测试结果Fig4 The test results of ceramic patch antenna pattern

4.仿真测试结果

采用内场法对天线单元进行测试。图4分别为天线方向图、天线S11和轴比测试结果。从测试结果中可得到，天线法向增益为3.6dBi，天线半功率波束宽度为66°；在整个工作频段内，天线单元元S11＜-10dB,中心频点处S11=-37.9dB，端口匹配良好；天线单元轴比带宽约为16MHz。

搭建远场测试平台对俯仰维多波束单元方向图进行测试，测试结果如图5所示。图5(a)中实线表示测试结果，虚线表示仿真结果。测试结果如下，波束1指向0.4°、波束宽度25.4°；波束2指向12.6°、波束宽度25.2°，波束3指向27.1°、波束宽度31.2°，波束4指向40.7°、波束宽度37.8°。

图5 俯仰维多波束天线单元测试结果Fig10 The test results of pitch multi-beam antenna

从测试结果可以看出，波束指向误差≤1°，波束在俯仰维可以覆盖0°～70°的空域。四个波束的波束宽度略有展宽、副瓣电平略有抬高，这是通道中幅相误差引起的。

5.结论

本文设计了用于无人机探测的多波束阵列，经测试接收天线单元法向增益3.6dBi，工作频带内具有良好的匹配。接收天线阵列增益13.9dBi，采用模拟波束合成和数字波束合成相结合的方法，简化了馈电系统的复杂性、降低了成本并且可形成高速可控的波束。经测试俯仰维多波束单元波束指向误差≤1°，可覆盖0°～70°空域范围；对组阵后的阵列进行了仿真分析，在工作扇区内，波束可覆盖较大的空域范围并且具有良好的指向性。