一种串馈的非规则天线阵

丁卓富 肖绍球

(电子科技大学,成都 610054)

引 言

相控阵天线由于具备灵活的波束赋形能力,快速的波束切换能力,空间功率合成等诸多优点,被广泛运用于各种雷达系统中[1-2]. 然而,在一些特定的运用场合,为了降低系统成本,又能够结合相控阵天线的优点,雷达一般采用一维电扫描和一维机械扫描相结合的方式[3]. 但是为了提升阵列天线的增益,并在非扫描维获得相对窄的波束宽度和较低的副瓣电平,非扫描维一般也被设计成阵列天线的形式.

传统的做法是将该阵列天线设计为均匀规则阵,均匀规则阵列由于数学处理的方便和阵列结构的简便而得到了广泛的研究和应用,但其阵因子的理论副瓣电平较高,而副瓣电平是制约雷达抗干扰能力和灵敏度的一项重要指标[4],因此均匀规则阵的使用在雷达系统中会受到很大的限制;另外,当雷达系统需要具备较高的角度分辨率时,雷达天线阵的阵列孔径尺寸必须取得很大,以满足阵列天线波束宽度的需要. 因此,较低的天线副瓣电平和较窄的天线波束宽度有利于提升雷达系统的整体性能.

非均匀间隔的稀布天线阵列可以弥补均匀规则阵的上述问题[5-8]. 在设计稀布天线阵的过程中,将副瓣电平作为优化目标,这样可以提升阵列方向图的副瓣性能;同时,由于阵元为非等间距排布,在副瓣电平相近的前提下,稀布阵阵元间的间距均大于均匀阵的间距,这使得稀布阵的口径尺寸增加,从而使天线阵列的波束宽度变窄;另外,采用稀布阵后,天线单元间的互耦明显降低,这有利于提升天线阵列的合成增益.

对于天线阵列的馈电方式,可以是并联网络,也可以是串联网络. 如果用并联形式,每个阵元的相位容易做到同相位,且带宽相对较宽,但需要额外的面积提供给馈电网络,这对于二维阵列而言非常困难;且并联馈电方式会增加馈电网络的路径,这会增大天线的线路损耗,从而降低天线阵列的整体效率. 串联馈电网络的设计和天线本身的结构设计息息相关,而不是孤立存在. Xu Jun等人提出了一种用于77 GHz汽车雷达的葫芦串形式的串联天线阵[9],这种天线阵的带宽很窄,且由于馈电网络和天线辐射片处在同一层,馈电网络会参与正向辐射,使得阵列的方向图难于控制;更重要的是,这类天线的整体效率偏低,不适合用于高效率雷达中. Zivanovic等人提出了一种两单元的串馈耦合缝隙阵[10],这种阵列结构简单,可以避免馈电网络参与前向辐射,但由于耦合缝隙没有考虑背向屏蔽措施,因此会存在较强的背向辐射,导致能量的损失,或与其他无线设备存在相互干扰的情况.

基于以上分析,本文提出了一种基于串联馈电方式的非规则天线阵列,这种阵列是基于文献[11]中提出的带介质空腔的微波多层板宽带高增益天线,该天线采用带状线和耦合缝隙的方式,避免了阵列天线的背向辐射,同时采用在介质结构中开空腔,减小了天线的有效介电常数,拓展了天线的带宽,并提升了天线的增益．使用该天线作为阵列的天线单元,结合稀布阵优化算法,最终实现了宽带、低副瓣的天线阵列.

1 天线阵列设计

1.1 阵列布局设计

该天线阵列采用稀布阵形式,阵列的位置布局示意如图1所示．

图1 稀布阵列天线位置布局示意图Fig.1 Schematic layout of the thin array antenna

对于图1所示的阵元数为2N的稀布阵列天线,方向图表达式如下:

F(θ)=E(θ)×FA(θ),

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:dn∈(0.2λ,0.7λ),且dn=xn+1-xn;取N=3. 采用遗传算法对dn进行优化. 适应度函数的设置如下所示:

F=(LSL0+LPSL)2．

(5)

副瓣电平的目标期望值为LSL=-17 dB,为了给天线阵设计预留余量,优化目标为副瓣电平LSL0=-18 dB. 种群大小选为Np=100,代数T=100. 优化后的天线单元的位置信息和加权幅度值如表1所示.

表1 阵元位置及加权幅度Tab.1 Element location and weighted values

基于表1的数据,可以计算阵列的阵因子方向图曲线,为了便于对比,将均匀规则阵和稀布加权阵的阵因子方向图曲线一并放在图2中,其中均匀规则阵的阵元间距为8.2 mm. 由图2可知,均匀规则阵的阵因子副瓣电平为-12.4 dB,相比均匀规则阵而言,优化后稀布加权阵的阵因子副瓣电平改善了5.6 dB;同时,3 dB波束宽度仅展宽了0.2°,对于接近20°的3 dB波束宽度而言,0.2°的波束宽度展宽量几乎可以忽略不计.

图2 优化后的稀布阵因子方向图Fig.2 Optimised factor pattern of the thin array

1.2 天线设计

根据1.1节的阵列结构设计描述, 本文提出的天线阵列将根据表1的位置信息和加权幅度值进行设计. 对于阵元位置信息而言,选取天线单元的相位中心布置在表1的坐标位置即可;对于加权幅度信息,通过调整串馈功分网络的幅度比例来实现. 天线的三维结构如图3所示,主要包括天线辐射贴片、空腔、串联馈电网络、耦合缝隙、SMP连接器等. 该天线在结构上完全左右对称,因此本文只会对其中一半天线进行详细阐述.

图3 串馈天线阵的三维结构图Fig.3 3D structure of the proposed series-fed antenna array

射频信号从SMP进入,经过类同轴结构转换到带状线上进行传输,该带状线贯穿三个天线,是一个串联结构,每个天线单元通过各自下方对应的耦合缝隙耦合带状线上的能量,通过辐射贴片辐射到空间中. 整个天线阵列的口径能量分布需要综合调节带状线形状、耦合缝隙的尺寸和辐射贴片等,从而获得期望的功率分配比.

天线采用微波多层板技术进行加工,由图4可知,天线可以分为两个多层板,其中多层板1主要由介质3和介质4组成,这部分的主要功能是将SMP连接器馈入的电磁场能量转化到带状线中进行传播,将其命名为馈电层;多层板2主要由介质1和介质2组成,这部分的主要功能是将带状线上传输的能量通过耦合缝隙耦合到辐射贴片上,激励起辐射贴片上的TM01模,从而实现空间特定方向电磁波的辐射,将其命名为辐射层.

四种介质材料均选择Taconic的TLY-5,其介电常数为2.2,其中介质1、3和4的厚度均为0.254 mm,介质2的厚度为1.52 mm.半固化片1和2均采用Taconic的FR-27,介电常数2.7,厚度0.09 mm. 天线的详细设计参数如图5所示,具体数值列在表2中．对这些具体尺寸的调节,是为了实现每个阵元能够满足表1的幅度优化分布,同时,能够使得每个天线单元均为同相位分布,实现期望的方向图.

图4 天线单元的结构侧视图Fig.4 Side-view structure of the proposed antenna

图5 阵列天线平面图Fig.5 Structure of the proposed series-fed antenna array

2 测试结果及讨论

由于该阵列的设计是为了用于一维相控阵天线,因此孤立的阵列天线性能没有实际工程意义,为了验证天线在耦合环境中的设计合理性,本文加工了四列天线,加工实物如图6所示,仅测试其中一列天线的性能,但其余非被测阵列的端口用SMP负载进行连接.

图6 天线的加工实物图Fig.6 Prototype of the proposed array

正如前面描述的,该天线阵列由两个微波多层板组成,其中馈电层需要和SMP的内导体焊接后,才能将辐射层焊接(或粘接)在其上面,由于装配时会涉及到几次焊接工序,为了保证产品的可靠性,规划为不同的温度梯度. 具体如下:1)SMP连接器先通过283°的高温焊接在金属载板上;2)用217°的高温将馈电层焊接在载板上;3)通过283°的高温将SMP针点焊在馈电层的带状线焊点上;4)最后再通过183°的高温,将辐射层焊接在馈电层上,最终完成天线阵列的整体装配.

天线的端口S11测试基于安捷伦公司的矢量网络分析仪E8363C进行,S11测试曲线如图7所示,结果显示,该天线工作在14.5～18 GHz,其回波损耗优于10 dB,对应的分数带宽为19.8%. 实测和仿真的S11曲线有一定差异,主要是装配需要经过几道工序,会引入一定的误差,但总体而言,实测和仿真结果相吻合. 天线阵列的方向图测试在微波暗室中进行,由于受串馈的方向图带宽影响,因此只测试15.5～17.5 GHz的方向图特性,方向图实测结果如图8所示. 方向图测试结果表明,在工作频率范围内,天线阵列的实测副瓣电平均小于-16 dB,与图2的理论结果存在一定偏差,一方面是因为理论结果没有考虑天线单元的方向图特性,另一方面是由于加工制造引入的误差;天线的增益仿真和测试对比曲线如图9所示,可以看到,天线实测增益比理论值偏低,但带内增益均高于11.7 dBi,总体而言实测和仿真结果是相吻合的.

图7 天线的实测和仿真S11对比曲线Fig.7 The contrast S11 curve between measurement and simulation of the proposed array

图8 天线的实测归一化方向图曲线Fig.8 The measured normalized pattern of the antenna

图9 天线的实测和仿真增益对比曲线Fig.9 The contrast gain curve between measurement and simulation of the proposed array

综上所述,以上实测结果和理论虽然存在一定的差异,但这些差异都是在工程允许的范围内,说明了设计的合理性和制造工艺的可靠性.

3 结 论

本文提出了一种基于串联馈电网络的非规则天线阵列,该阵列采用优化算法对阵元坐标进行稀布阵布局,并采用微波多层板空腔耦合天线,获得宽带和低副瓣性能,同时保证较窄的波束和高增益特性,实测结果表明,该天线阵列适用于一维相控阵天线. 相比传统的串馈天线阵,本文提出的天线阵具有更宽的工作带宽和更高的辐射效率,同时由于采用稀布阵算法,获得了更低的副瓣电平. 但阵列的设计参数过多,设计起来较为复杂,移植到其他频段时,需要花费大量的时间和精力,如果在性能不受影响或影响较小的前提下,能固定更多的尺寸,减少天线的可优化尺寸,天线的应用将会更广泛.