不同增益单元构造的低副瓣稀布阵列优化

李金妍 韩志刚 马汉清

(1.西安电子工程研究所 西安 710100；2.陆军装备部装备项目管理中心 北京 100071)

0 引言

稀布阵列天线的单元数目较少，在保证窄波束、强方向性等特点的同时，可显著降低通道数量，在工程应用中具有重要价值。增益和副瓣电平是用来评价阵列天线性能的重要指标，但与同孔径的满阵相比，随着阵元数目的减少，由于副瓣区占据了较多能量，稀布阵的增益显著降低[1]。

为解决阵列增益降低的问题，本文采用不同增益的单元来实现稀布阵列，通过高增益单元的引入，期望得到远旁瓣降低的结果，从而在保证副瓣的前提下，提升阵列增益。拟使用的单元为介质棒天线。介质棒天线由介质棒和馈电结构组成，棒体设计成渐变结构，在一定范围内，介质棒越长，单元增益越高，因此可通过调整介质长度，实现不同的单元增益。

果蝇优化算法[2]是受果蝇觅食名为启发而提出的一种新型智能全局优化算法，在处理复杂非线性问题时具有参数设置少、容易调节、寻优精度高等特点。如果将介质天线作为阵元进行稀布优化设计，同时优化阵元的分布位置和长度，阵列优化的自由度就会变得很大，利用果蝇优化算法进行优化可获得高增益、低副瓣的稀布阵列天线。

1 介质棒天线单元

一般介质天线由激励源和介质棒组成，激励源设为微带线，最大辐射方向位于天线轴向。

图1 介质天线模型图

图2 介质天线尺寸图

为了避免出现高次模，则顶面直径的取值范围为

(1)

按照增益最大原则[4]设计的介质棒天线，其顶面和底面的直径分别为

(2)

(3)

对于满足式(2)、式(3)的介质棒天线，其增益主要取决于棒体长度L，最佳长度对于满足的介质天线，最佳长度近似决定于公式(4)条件。

(4)

如果超过这个长度，则会出现抵消性干涉，导致天线增益下降。适当选择s1和s2的比例，可以将集中在介质区域中的束缚波能量更有效地转换成在空气区域中传播的自由空间波能量。

使用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线进行仿真，中心频率f=77 GHz，介质材料采用聚苯乙烯，其介电常数εr=2.6。在满足不产生其他高次模的条件下，尽可能缩小根部直径D，为后续组阵优化提供更大的自由度，选定D=3.6 mm。在毫米波频段内天线尺寸较小，考虑到实际加工情况，在不影响方向图的情况下，选定天线顶部直径d=1.6 mm。仿真结果如图3所示，其参数见表1所示。

表1 不同长度L的天线方向图参数

图3 长度L不同时介质天线E面方向图

仿真结果表明，随着天线长度的增加，增益变大，波束宽度变窄。

2 稀布阵列天线优化

考虑阵元数目N=100对阵面阵综合问题，第一象限布阵范围为L×H，其中L=100 mm，H=100 mm。中心频率为f=77 GHz，为了减少互耦的影响并保证布阵时阵元之间不发生重叠，约束阵元间距dmin不小于1.05倍λ，即4.09 mm。满阵时阵元数目为2500，则当前稀稀布率为4%。为利用果蝇优化算法对其进行优化，优化变量为阵元位置坐标(x,y)以及介质棒长度L。若优化目标为获得可视区内峰值旁瓣电平最低的稀布阵列，且考虑在xoy平面内的扫描特性，扫描角为θ0，则优化模型为

(5)

由于阵列关于xy轴对称，只需要四分之一单元参与到优化过程中对式(5)进行10次运算优化后取最优解，最终得到的阵列位置分布如图4所示，阵列的切面方向图如图5所示，扫描特性见表2所示。对最优阵列进行HFSS仿真，其四分之一仿真阵面排布如图6所示。

图4 优化后整阵阵元位置分布

图5 阵列的切面方向图

图6 最优布阵的四分之一阵面的排布

表3 不同阵列的增益比较

对于上述最优布阵，利用积分方法计算其阵列增益为31.92 dB。按照文献[5]中方法计算可得无方向性点源阵列增益为20.01 dB,可见使用本文方法,增益有显著提升。

3 结束语

本文介绍了一种从微带结构直接过渡到介质棒引向天线的结构，通过对介质天线不同结构参数的分析和仿真，可以得出，在一定的增益范围内可通过控制天线的长度或介质棒直径实现增益与波束宽度的调整。以该介质棒天线作为阵元，利用果蝇算法对阵元位置及长度进行稀布优化，通过Matlab计算优化后的阵列增益为30.72 dB，相比于相同排布的无方向点源阵列增益提高10.71 dB，各个切面的副瓣电平均低于-20 dB，同时在±15°实现了较好的扫描特性。