一种用于FOD 检测系统的V 波段波导缝隙阵列天线

李 炎，任 冲，尹琰鑫

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

0 引言

跑道异物(Foreign Object Debris，FOD)是指出现在机场跑道上对航空器或系统可能造成损害的各种外来物质[1]。典型的FOD 目标有：混凝土沥青碎块、各类金属器件、塑料制品、橡胶碎片、动植物等[2]。跑道上的异物对于飞机等航空器的起飞和降落有极大的安全隐患[3]。传统的机场跑道异物检测方法是人工巡视方法，此方法完全依赖人力，存在检测效率低下及容易漏检等问题[4]。因此FOD 检测设备的发展趋势是一种能够自动探测、定位和上报FOD 信息的机场常设设施[5-7]。到目前为止，世界上主要的机场跑道异物检测和自动识别系统有4 个，分别是Tarsier 系统（英国）、FODFinder 系统（美国）、FODetect 系统（以色列）和IFerret 系统（新加坡）[8]，一些大型机场跑道已经开始尝试异物自动监测系统。上述4 个已经投入使用FOD 异物检测系统功能有一定差异，性能各不相同，但雷达工作的频率都是70～100 GHz 之间[9]。毫米波雷达由于其具有波束窄、分辨率高等优点,非常适合近距离对微小目标的探测[10],因此对V 波段以及更高频段毫米波天线的研究尤为重要。

V 波段以及更高频段毫米波天线由于频率高、波长短、单元数多，对加工精度有很高的要求，现在很多都是采用微带天线形式，微带天线剖面低、成本低，但是由于频率高、单元数目多，微带电路的导体损耗和介质损耗很大，对微带天线一般口面越大辐射效率越低,天线增益大于30 dB 时微带天线的效率只有20%～30%[11]。反射面天线可以具有很低的副瓣和很高的辐射效率[12]，但剖面尺寸过高不便于结构安装。传统的波导缝隙阵天线通过缝偏和缝长来控制幅度相位，在这个频段对加工精度要求非常高，由于机加精度达不到要求，导致性能较差。

本文设计了一种适用于V 波段以及更高频段FOD 检测系统的波导缝隙阵列天线，天线采用多模波导缝隙阵列天线形式，并设计了波导功分网络，整体结构紧凑，厚度在10 mm 以内，辐射效率在在50%以上，具有高增益低剖面的优良特点；天线加工容错率比较高，对机加精度要求不高，加工了实物并进行了驻波和方向图测试，与仿真结果进行了比较，实测结果与仿真结果吻合度较高。

1 天线设计

1.1 天线初步参数设计

根据增益要求36 dB 以上，俯仰面半功率波束宽度4.5°±10%，方位面半功率波束宽度0.5°±10%的指标要求，根据公式θ=51×λ/n×d，选择合适的单元间距，最终确认阵面为大小450 mm×50 mm 的长方形，整个阵面缝隙数为128×16，方位面缝隙数为128，俯仰面缝隙数为16。

1.2 天线单元设计

图1 所示为单端短路的矩形波导段。L1 段的波导截面长为a，宽为b，在其工作频带内，只传输主模TE10模。L2 段的波导截面长为A，宽为B，在其工作频带内可传输多种工作模式，称为多模波导。根据波导内电磁场的耦合过程可知，多模波导中只能存在和模式，即TEmn 模或TMmn 模[13]。如图1 所示，根据理想导体表面上的边界条件以及单端短路的波导内场分布可知，多模波导短路面内表面只存在H分量，其函数表达式为：

式中，K是一个常数，取决于工作频率、激励幅度、波导模式及波导截面大小。多模波导短路面内表面的表面电流密度定义如下：

从短路表面的电流分布可以看出，采用靠近侧壁的开缝形式可以获得最高的辐射效率，如图2 所示，并且可以保证4 个缝隙的激励等幅同相。

图2 多模波导短路面上的缝隙分布

从图2 所示的多模波导各缝隙的位置可以看出,多模波导的截面尺寸由缝隙间距以及缝隙参数二者共同决定。即：

式中，dx和dy分别为相邻缝隙在x和y方向上的间距，为了避免在辐射方向图上出现栅瓣，dx和dy应小于λmin,λmin为工作频段内高频截止频率所对应的自由空间波长。lslot和wslot分别为缝隙长度和缝隙宽度，其大小约为λmax的1/2 和1/10，λmax为工作频段内低频截止频率所对应的自由空间波长[14]。

从单个缝隙的辐射特性可知，沿x方向相邻缝隙间的互耦非常小，如slot1 和slot2 之间以及slot3 和slot4 之间；而沿y方向相邻缝隙间的互耦非常强，如缝隙slot1和slot3 之间以及slot2 和slot4 之间。由于每个多模波导的2×2 个缝隙都是通过主模波导馈电，为避免E 面上相邻缝隙间的强互耦作用从而引起E 面方向图的畸变以及馈电端口的阻抗失配，因此，在阵列上表面x方向上缝隙间添加了一条位于缝隙表面上方的金属条块，可称为去耦栅，如图2 所示。其宽度约为缝隙间距的一半，高度略大于1/10 波长。

波导尺寸及辐射缝结构参数设计时使用电磁仿真软件HFSS 进行优化设计，对端口驻波进行优化，将优化得到的缝隙及腔体尺寸作为设计的初值。优化后的结构参数如表1 所示。

表1 单元结构参数 (mm)

1.3 阵因子分布

整个阵面缝隙数为128×16，方位面缝隙数128，分16 个子阵，每个子阵内等幅分布，由于方位面副瓣要求-21 dB 以下，因此对方位面16 个子阵按-28 dB 副瓣泰勒分布进行加权[15]；俯仰面缝隙数16，分4 个子阵，没有副瓣要求，按-20 dB 副瓣泰勒分布浅加权，阵因子方向图如图3、图4 所示。

图3 阵因子俯仰面方向图

图4 阵因子方位面方向图

如图4 所示，由于子阵内单元等幅分布，因此会产生周期性的副瓣，适当调整单元间距和子阵规模大小可以使得周期性副瓣低于第一副瓣，满足副瓣要求。

1.4 波导功分网络

通过波导功分网络对短路面开缝的多模波导进行馈电，实现辐射阵列口面激励的锥削分布，以满足对副瓣电平的需求。功分器采用E 面T 型波导功分器，1/2 阵面的波导功分网络的仿真模型示意图如图5 所示。功分网络的驻波仿真结果如图6 所示。

图5 波导功分网络仿真模型示意图

图6 波导功分网络驻波仿真结果

1.5 整阵仿真模型及仿真结果

天线整体的仿真模型示意如图7 所示。天线结构尺寸为450 mm×50 mm×9 mm。

图7 天线仿真模型示意图

仿真驻波曲线如图8 所示。

图8 天线的仿真驻波曲线

仿真方位面方向图如图9 所示，俯仰面方向图如图10 所示。

图9 带内仿真方位面方向图

图10 带内仿真俯仰面方向图

2 天线测试

天线实物如图11 所示。驻波的测试结果如图12 所示。

图11 天线实物照片

图12 天线驻波实测结果

由于天线方位面波束宽度在0.5°±10%，天线长度为450 mm，按测试所需的最小远场距离2×D2/λ计算，需要的远场距离为104 m 以上，考虑暗室测试环境及测试场地的局限性，针对本文设计的天线，采用远场进行性能测试；测试设备包括配有刻度的手摇转台、频谱仪、倍频器、混频器。采用手摇转台以0.10°为扫描角度间隔，扫描±5°范围采样取点完成方向图测试。方位面方向图如图13～图15 所示。

图13 74 GHz 方位面方向图对比

图14 76.5 GHz 方位面方向图对比

图15 79 GHz 方位面方向图对比

俯仰面的方向图测试在暗室内完成，如图16～图18所示。

图16 74 GHz 俯仰面方向图对比

图17 76.5 GHz 俯仰面方向图对比

图18 79 GHz 俯仰面方向图对比

天线实测方向图与仿真方向图进行了对比，具体的指标达到情况统计见表2。由指标对比来看实测结果与仿真结果吻合度较高，满足使用要求。

表2 天线实测结果统计

3 结论

本文提出了一种适用于FOD 检测系统的V 波段波导缝隙阵列天线。该天线采用多模波导缝隙阵列天线形式，结构紧凑，天线厚度在10 mm 以内；对机加精度要求不高，加工容错率比较高。加工出实物进行了实测，实测结果与仿真结果吻合度较高，实测口面效率50%以上，实现了高增益、低剖面的目标，对于V 波段以及更高频段毫米波天线的研究和应用具有较高的参考意义。