一种C波段雷达微带天线阵列的设计与实现

2022-04-25邓宽,张玉

金陵科技学院学报 2022年1期

邓宽,张玉

(金陵科技学院电子信息工程学院,江苏南京 211169)

作为无线通信和雷达技术系统中的重要元件,天线的理论研究和工程设计引起了研究者们的关注[1-3]。微带天线具有体积小、重量轻、低轮廓、易于与其他微波电路集成等优点,在无线通信和雷达领域得到了广泛应用[4-6]。文献[7]设计了一个微带天线阵列,用于雷达天线中的移动目标检测。文献[8]设计了用于战场监视的微带雷达天线阵列。文献[9]通过设计专门的耦合馈电网络和贴片辐射单元,得到21 dB增益和低旁瓣的收发天线阵列。文献[10]通过巧妙的辐射单元设计,获得了一种工作频段涵盖C波段和X波段的超宽带微带阵列。此外,Ma等[11]还提出了一种用于合成孔径雷达应用的双频和双极化微带天线。但由于材料选择、制造和实验产生的公差,微带天线阵列的实测增益通常远低于理论设计。

本文研究并设计了一种C波段平面微带天线阵列。首先,对C波段雷达微带天线阵列进行理论研究和模拟仿真,在此过程中,根据工程要求考虑一些基本的制造因素,包括介电基板的选择、辐射元件和馈电网络的设计等[12-14]；然后,在完成微带天线阵列的初始设计后,再将制造和测量过程中的一些不确定因素进行优化；最后,通过理论与实验结果的对比,证明了本文所提出的微带天线阵列在雷达应用中的有效性,可以满足工程项目的要求。

1 微带天线阵列基本制造因素的设计

1.1 介电基板的选择

介电材料显著影响微带天线阵列的性能,因此,微带天线阵列的第一个设计步骤就是选择合适的介电基板,并满足电气和机械要求。在选择介电基板时,应考虑许多影响因素,例如介电常数与温度的相关性、损耗正切与频率的相关性、介质厚度的均匀性、介质的各向同性、热系数、温度、可加工性、湿度等[15]。同时,其他一些物理性能,如耐腐蚀性、拉伸和结构强度、柔韧性、抗冲击性、可成形性等对介电基板的选择也有重要的影响[1]。

1.2 辐射元件的设计

虽然微带贴片天线的形状可以任意设计,但矩形贴片仍然是微带天线阵列中最常用的基本形状。根据微带天线阵列的基本理论[16],矩形贴片的初始尺寸(宽度a和长度b)可以计算如下:

(1)

(2)

(3)

其中,c是光速,fr是谐振频率,εr是相对介电常数,h是高度,Δl是长度的变化值;εe是等效介电常数。

公式(1)—公式(3)中使用的矩形贴片交叉极化模式为TMm0。同时,当a/b=1.5时,微带贴片天线的交叉极化可以保持在-20 dB以下。

1.3 馈电网络的设计

馈电网络设计必须确保被激励的各贴片天线具有合适的幅度和相位。并联馈电网络的波束方向不依赖于频率;串联馈电网络的波束方向虽然比并联馈电网络更紧凑,但阻抗和波束方向的变化均较快[1]。为了简化设计,本文使用了并联馈电网络的馈电方式。

微带贴片天线的馈电经常与辐射单元共形,因此微带贴片天线可以被视为微带线的延伸[1]。图1的阵列结构可以激发出模式TM01[17],但其结构非常复杂,很容易产生寄生辐射和相互耦合。因此,本文使用了图2所示的另一种结构，这种结构不但可以激发出TM10模式,而且在阻抗匹配方面具有更大的灵活性,无须改变馈线的长度。通过选择正确的参数a和b,微带贴片天线的交叉极化也可以保持在-20 dB以下。

图1 TM01模式和馈电网络的2×2子阵列配置

图2 TM10模式和馈电网络的2×2子阵列配置

2 微带天线阵列仿真设计

表1列出了本文设计的微带天线阵列性能指标,其中设计的目标增益不能低于25 dB。并联馈电矩形贴片阵列的增益G可以近似表示为:

G=10lg4πL2-αL-C1

(4)

其中,L是馈电网络的波长数,α是馈电损失的分贝数,C1是馈电不连续的损失。

通过公式(4)计算可以得出:1)选择由并联馈电网络的16×4均匀平面阵列能满足需求;2)微带天线阵列的辐射单元尺寸,即宽度a=2.06 cm,长度b=1.63 cm。

为进一步完善微带天线阵列的仿真设计,利用全波仿真软件来优化馈电结构参数,利用逐步阻抗匹配方法来提高微带天线阵列的带宽。图3和图4分别说明了2×2子阵列和16×4微带天线阵列的几何形状。

表1 微带天线阵列的性能指标

图3 2×2子阵列的几何形状(单位：mm)

图4 16×4阵列的几何形状

在阻抗带宽约为3.5%，驻波比(VSWR)<1.5，阵列增益约为26.5 dB条件下，进行微带天线阵列的仿真设计，仿真结果如图5—图7所示。由图5可知，3种实验条件下，微带天线阵列的谐振频率均呈现2次峰值，当阵列覆盖天线罩后，微带天线阵列的谐振频率会略微降低[18]。为了解决这个问题，使设计的谐振频率略高于预期频率，从而确定了增益、带宽和谐振频率合适的基板。由图6、图7可知，没有天线罩时，3种实验条件下，E平面的半波束宽度约为4°，H平面的半波束宽度约为16°。

图5 16×4阵列的模拟和实测驻波比

图6 16×4阵列的理论、模拟和实测E 平面辐射方向图(没有天线罩)

3 样品制造及测试结果分析

图7 16×4阵列的理论、模拟和实测 H平面辐射方向图(没有天线罩)

除了缜密的仿真设计外,制造技术对于保证微带天线阵列的性能也非常重要。在制造过程中,每个环节都需要经过严格的控制,以实现更高的制造精度。

图5—图7将加工原型的测量结果与仿真结果进行了比较。阻抗带宽在没有天线罩的情况下,仿真结果和测量结果之间的差异主要归因于制造精度。使用天线罩时,阻抗带宽会如预期的那样略微降低,最终,测试结果满足了实际工程的要求。图6和图7中的辐射结果在宽边方向上基本保持一致,但由于实际情况的非理想性,辐射结果在尾瓣处的差异变得较为明显。

图8和图9展示了微带天线阵列的E平面和H平面实测辐射方向图。从图8和图9可以看出,在谐振频率为5.8 GHz下,带有天线罩的微带天线阵列在E平面的半波束宽度为4.05°,H平面的半波束宽度为14.89°,E平面和H平面的旁瓣电平分别为-14.05 dB和-13.69 dB,微带天线阵列最大增益为27.24 dB,表明测量结果与表1中列出的性能要求之间具有良好的一致性。