W波段宽带宽角低副瓣类喇叭天线稀布阵

周 彪,张 帅,张德训,林志成,王 建

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050051;2.西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

随着现代无线技术的发展,拥有宽频带、高传输速率、小型化和多功能集成的通信设备已成为发展趋势。毫米波等电磁波高频段由于可满足以上通信设备的需求而成为了近年的研究热点。毫米波指频率在30～300 GHz范围内的电磁波,对应的波长为1～10 mm,其相对于低频段具有宽频带、结构尺寸小、通信安全性好、目标识别分辨率高等优点[1-2]。然而,高损耗也是毫米波在远距离通信中存在的缺点之一。大气中的水分子、各种气体分子及其他悬浮颗粒在电磁波传播过程中具有较强的相互作用,使得毫米波损耗较大。但在这个频段还存在对电磁波作用较弱的大气窗口和作用较强的吸收峰[3],其中W波段(75～110 GHz)内在94 GHz频率附近频带内传播衰减比较小,是此波段内最适合通信的频带,因而W波段94 GHz天线在高分辨率雷达、点对点数据传输、精确制导以及高分辨率雷达成像等系统上具有重要的应用[4]。

作为无线电波的发射者和接收者,天线本身的性能影响着整个系统的性能。此外,由于单个天线单元难以满足高增益系统的要求,因此较多系统采用阵列天线的方法来提高增益。阵列天线的低副瓣设计是保证天线阵高效传输数据的有效方法之一。天线的阵列优化布局可有效降低副瓣电平,然而此时天线的布阵通常是不规则的,因此对布阵规划和馈电网络设计提出了较高的要求。

近年来,多种工作在W波段的天线和天线阵被提出。文献[5]提出了一款W波段1×2的喇叭天线,简化了馈电网络的复杂程度。但此天线组阵后副瓣较高,且不易实现稀布阵。文献[6]介绍了一种W波段串联馈电集成锥形阵列天线,此天线采用单层PCB设计,可用来检测人体生命体征。文献[7]使用SIW设计功分和移相器,组成32×32的SIW缝隙天线阵。文献[8]则在SIW缝隙天线的上方添加电介质立方体和类八木引向器,提高了天线阵的增益。文献[9]设计出共用孔径圆极化SIW缝隙天线阵。文献[10]提出SIW缝隙馈电的磁电偶极子天线,获得了较宽的阻抗带宽以及稳定的增益。在文献[6～10]的设计中,天线阵均只有一个馈电口输入,因此只能实现单一波束指向,无法实现宽角度扫描。文献[11]提出了一款介质加载的锥形槽天线,天线在E波段和W波段工作,在70～110 GHz频率范围内获得了良好的驻波特性和方向图特性。但此天线设计只能组成直线阵,且只能实现一维方向的波束指向控制。文献[12]提出双极化全并馈波导缝隙阵列天线,采用圆形缝隙辐射电磁波。但该设计只进行了均匀布阵的设计,并没有进行低副瓣阵列的设计。文献[13]设计了一种集成馈电的W波段低剖面双极化卡塞格伦反射阵列,通过差分正交方法实现了大于55 dB的端口隔离。该天线具有高增益、高隔离度和低剖面的特性,适用于W波段点对点IBFD通信,但此设计结构过于复杂,不适于大规模量产。文献[14]设计了一种采用单独馈电的2×2对角喇叭天线阵,在喇叭内部设计了轴向的波纹槽用以拓展喇叭有效长度,并进行了双波束的设计。但天线单元过大、阵列方向图旁瓣较高,无法有效抑制栅瓣。

从上述可知,现有文献的设计在实际工程应用中会遇到诸多问题。例如,天线单元本身不适合组阵;天线阵的单元间距过大,进行波束扫描时出现较高副瓣;天线阵整体结构过于复杂,不适合大规模量产化。为了解决这些问题,本文提出了一种利用空气波导传输和馈电的类喇叭天线阵设计,针对现有W波段T/R组件的尺寸与空间限制,利用改进型遗传算法,在考虑优化空间约束的基础上[15-18]仅通过阵元位置优化,设计了64元稀布天线阵。仿真结果验证了该阵列天线具有宽带宽角、高增益、低副瓣、结构易于实际加工实现等优点,应用前景良好。

1 W波段天线设计

本文采用T/R组件,其为天线馈电的端口为长2.2 mm、宽1.0 mm、圆角半径0.5 mm的圆角矩形,该端口与天线单元间采用空气波导进行连接。下面对天线单元与空气波导设计分别进行介绍。

1.1 天线单元设计

天线单元结构如图1所示。馈电口为长2.2 mm、宽1 mm、圆角半径0.5 mm的圆角矩形。馈电端口上方设计两级阶梯进行辐射,第一级阶梯长2.2 mm,宽1.5 mm,高1.1 mm;第二级阶梯长宽均为2.2 mm,高1.9 mm。其中,在两级阶梯上均添加了半径为0.5 mm的圆角设计。在工程实践情况下,天线的制作需要在金属板上铣出开孔,因此在实际建模中也将金属板考虑在内,金属板长宽均为5 mm,高为4 mm。天线采用波端口激励,使用三维电磁仿真软件对该天线单元进行仿真。

图1 天线单元模型Figure 1. Antenna simulation model

仿真所得的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)曲线如图2所示。可见此天线单元阻抗带宽较宽,在80～110 GHz频率范围内驻波比均小于1.8。在中心频率94 GHz处,电压驻波比为1.1,辐射性能良好。

图2 天线单元驻波比曲线Figure 2. VSWR of the antenna

图3为此天线单元在94 GHz下两主平面内的增益方向图。此天线最大增益为8.8 dB,半功率波束宽度65°。同时,E面和H面的方向图一致性较好,适合作为宽带宽角相控阵的天线单元使用。

图3 天线单元辐射方向图Figure 3. Radiation pattern of the antenna

1.2 天线单元馈电结构设计

针对该天线单元,设计馈线使得能量可从T/R馈电出口高效传输到天线馈电口也是相控阵设计中的重要一环。本文选用空气波导进行能量传输,采用蚀刻工艺技术在金属板上构造出空气波导。

图4为添加了馈电结构之后的整体结构。首先,通过转换结构将垂直向空气波导转换为水平向空气波导,可减少馈电在水平方向所占的空间,更利于馈电走线,给接下来的布阵操作预留了更多的空间;其次,在空气波导的垂直转弯处采用了倒角加圆角设计,减弱了转弯处的不连续性,从而获得了更优的驻波特性;最后,在天线的馈电处同样使用转换结构将水平向空气波导转换为垂直向空气波导。

图4 天线空气波导馈电结构模型Figure 4. Feed structure of the antenna

将该馈电结构与天线单元一体化设计,利用三维电磁仿真软件对其进行仿真,所得电压驻波比曲线如图5所示。可见在加载该馈电结构之后,驻波比在83.5～110.0 GHz频率范围内小于2,在中心频率94 GHz处VSWR为1.06。与理想馈电天线单元相比可知,本文所设计的馈电结构可使天线单元仍保持良好的辐射性能。

图5 加馈电结构天线单元驻波比曲线Figure 5. VSWR of the antenna with feed structure

图6为此整体结构在94 GHz下两主平面增益方向。此天线最大增益为9 dB,相比理想馈电天线单元,增益提高了0.2 dB。天线单元的半功率波束宽度为60°,E面与H面方向图具有较好的一致性,用于组建阵列天线可以有效保障宽带宽角范围内的高性能工作。

图6 加馈电结构天线单元的辐射方向Figure 6. Radiation pattern of the antenna with feed structure

2 布局优化

本文利用上述单元组建了64元平面阵列天线,为满足有源相控阵天线的工程化应用,采用W波段的16通道T/R组件,如图7所示。采用4个T/R组件为该阵列天线进行馈电,T/R组件尺寸为11 mm×44 mm,每个T/R组件拥有16个1.0 mm×2.2 mm的馈电端口(黑色)。

图7 64元W天线阵列的T/R端口分布Figure 7. Layout of 64-channel T/R module

经分析可知,T/R组件输出的馈电端口间的距离为5.5 mm,若将天线单元放置在该馈电端口上方进行垂直互连,虽结构简单,但进行波束扫描时将会出现栅瓣,阵列天线的应用范围将严重受限。因此,必须对64个单元进行优化布阵设计,抑制副瓣电平,提升阵列天线的宽带宽角扫描能力。同时,为了保障阵列天线的高有效各向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)特性,本文仅通过对各阵元的位置优化,实现±30°波束扫描范围内的低副瓣设计。

由于在该阵列天线的优化布阵过程中需综合考虑64个单元的金属波导垂直转接结构和空气波导传输结构的避让走线问题,因而各阵元布局空间均受到了较大约束,且其受限条件各不相同,大幅增加了优化布阵难度。

为了解决该问题,本文设计了多约束条件下的改进型遗传算法来进行阵列布局稀布优化。优化变量为第一象限16单元中心的移动量Δxi+Δyi·i,布局呈四象限镜像对称。天线阵列的方向图函数为

(1)

其中,fi(θ,φ)表示单元场;(θ0,φ0)表示波束指向角。根据最大副瓣电平(Maximum Side Lobe Level,MSLL)的定义,为保证方向图在扫描空间内全向低副瓣,取适应度函数为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平MSLL

Ftheta(θ)=(max|F(θ,φ)|)

(2)

(3)

其中,max表示求最大值函数;S表示θ=θ0、φ=φ0时俯仰向投影方向图的旁瓣区间。为了保障阵列天线在±30°范围内扫描时均具有低副瓣特性,将优化目标设置为

max(a1FEθ0=0°+a2FEθ0=30°+a3FHθ0=0°+a4FHθ0=30°)

(4)

其中,FEθ0=0°、FEθ0=30°、FHθ0=0°与FHθ0=30°分别表示天线阵列在E、H面主波束扫描至0°与30°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣值;a1、a2、a3和a4均为加权系数。

经过选择、交叉、变异等遗传操作,得到最优阵元位置如表1所示。表1列出了第一象限16单元的坐标信息,整阵布局呈四象限镜像对称,如图8(a)所示。根据该优化结果,设计的W波段64元稀布阵加馈电网络仿真模型如图8(b)所示。

(a)

(b)图8 W波段64元宽带宽角低副瓣稀布阵(a)64元稀布阵天线单元布局 (b)64元稀布阵加馈电网络仿真俯视模型Figure 8. Optimized layout of 64-element sparse array(a)Layout of 64 element sparse array antenna unit (b)Top view model of 64 element sparse array plus feed network simulation

表1 优化后第一象限内的16单元位置坐标Table 1. Optimized position of the 16-element in first quadrant

该稀布阵在94 GHz频点处E面与H面的扫描方向图如图9所示。其中,θ0为期望的波束指向角。各扫描角下的阵列增益与副瓣电平如表2所示。在此优化布局下,±40°扫描范围内阵列天线辐射方向图不出现栅瓣,且副瓣电平在波束指向±40°时最高,为-6.2 dB,验证了该设计仅通过布局优化可实现宽带宽角低副瓣扫描。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)图9 94 GHz处W波段64元稀布阵辐射方向图(a)E面法向辐射方向图(b)E面±15°扫描辐射方向图(c)E面±30°扫描辐射方向图(d)E面±40°扫描辐射方向图(e)H面法向辐射方向图(f)H面±15°扫描辐射方向图(g)H面±30°扫描辐射方向图(h)H面±40°扫描辐射方向图Figure 9. Radiation pattern of the 64-element sparse array(a)E-plane scanning radiation pattern (0°) (b)E-plane scanning radiation pattern (±15°) (c)E-plane scanning radiation pattern (±30°) (d)E-plane scanning radiation pattern (±40°) (e)H-plane scanning radiation pattern (0°) (f)H-plane scanning radiation pattern (±15°) (g)H-plane scanning radiation pattern (±30°) (h)H-plane scanning radiation pattern (±40°)

表2 优化后稀布阵天线扫描特性Table 2. Radiation characteristics of the optimized sparse array

为评估该64元稀布阵的匹配特性,本文给出了阵中天线单元的有源驻波比,如图10所示。可见阵中天线单元的有源驻波比在0°与40°波束指向下,在85～100 GHz频率范围内小于1.6,宽带宽角匹配性能良好。

图10 阵中单元的有源驻波比曲线Figure 10. Active VSWR of the element in array

3 结束语

本文设计了一种工作在毫米波W波段的低副瓣相控天线阵。首先,本文设计了能在W波段高效辐射并且E面与H面方向图一致性良好的类喇叭天线单元;其次,依据T/R组件以及天线的要求进行了空气波导馈电结构的设计;然后,针对T/R组件与馈电网络等带来的布阵难题,设计了多约束改进型遗传算法,优化设计了64元稀布天线阵;最后,为该64元稀布阵设计了空气波导馈电网络。仿真结果显示,此阵列天线具有宽带宽角、低副瓣、高增益等优点,且该阵列天线结构简单、易于工程实现和大规模量产,因而在毫米波通信等领域有着良好的应用前景。