共形微帶天線相控陣陣列的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 雯， 鄭 爽

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027 )

0 引言

作為毫米波制導(dǎo)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，相控陣制導(dǎo)技術(shù)中的相控陣天線是采用電控方式掃描波束，具有掃描速度快、波束控制靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它可以同時(shí)完成目標(biāo)搜索、跟蹤、引導(dǎo)等多項(xiàng)功能，能工作在日益復(fù)雜和惡化的工作環(huán)境中。目前，相控陣天線基本上還是平面陣列天線。平面陣列天線計(jì)算模型簡(jiǎn)單，技術(shù)趨于成熟，但它存在一些缺點(diǎn)[1-2]，例如，波束掃描范圍窄(局限在120o范圍以內(nèi))，天線波束寬度隨掃描角的增加而增加，相應(yīng)天線的增益和測(cè)角精度則隨掃描角的增加而降低，且難以實(shí)現(xiàn)寬掃描角匹配。從提高相控陣?yán)走_(dá)性能的角度看，也有必要采用共形相控陣天線。

共形陣天線是將原來(lái)平面結(jié)構(gòu)的相控陣變?yōu)榍娼Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了薄型設(shè)計(jì)，降低了自身的質(zhì)量。它擴(kuò)大了波束掃描的范圍；提高了天線安裝的自由度；降低了雷達(dá)散射截面積(RCS)[3-4]，可以安裝在飛機(jī)等的任意位置上，通過(guò)多數(shù)天線的綜合控制可以同時(shí)處理多目標(biāo)，瞬時(shí)進(jìn)行大范圍搜索和消除盲區(qū)等，避免了平面陣列的那些缺點(diǎn)。正是基于此，本文對(duì)工作頻段在 34～36 GHz的典型共形相控微帶天線陣進(jìn)行建模與仿真優(yōu)化分析，為使其成為較優(yōu)良的天線提供技術(shù)支持。

1 共形微帶陣列的設(shè)計(jì)思想及參數(shù)優(yōu)化

天線的掃描特性是相控陣天線的重要技術(shù)指標(biāo)，它包括掃描情況下天線的波瓣寬度和增益變化。

共形陣可以使陣元共形排列在載體表面，如果需要在方位角上提供的掃描，則需要使陣元共形在圓柱體表面，所以在設(shè)計(jì)中選用圓柱共形陣列進(jìn)行建模。由陣列天線的基本理論對(duì)均勻圓柱形陣列的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算和分析，并將有向陣元引入到圓柱共形陣列中，然后將結(jié)果推廣到圓臺(tái)陣列和扇形圓柱陣列的方向圖分析中[3]。

1.1 1×4微帶共形相控陣分析

圓柱陣列的方向圖特性不能用單元方向圖和陣列因子的乘積形式來(lái)表示，由于單元間的互耦使單元方向圖變窄，所有單元又“指”向不同的方向，所以一般情況下設(shè)計(jì)不出全向單元。

（1）傳輸線長(zhǎng)度的選擇

天線陣列的增益在 0.61λ時(shí)隨掃描角變化起伏最小，且在同一掃描角度時(shí)此間距的增益最大。由于傳輸線具有/4λ阻抗變換特性及/2λ阻抗重復(fù)特性，因此選擇0.5λ，相控陣子陣列為1×4陣列，中心頻率35 GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為8.571 mm。在陣元間距為0.5λ=4.2855 mm下，整個(gè)掃描范圍內(nèi)，增益指標(biāo)大于20 dB。

（2）饋電方式的選擇

針對(duì)矩形微帶貼片天線單元，其饋電方式有兩種：微帶線饋電和同軸饋電方式。由于同軸饋線在焊點(diǎn)處的機(jī)械強(qiáng)度不夠，容易由于彈體工作時(shí)的震動(dòng)而斷開(kāi)，所以采用微帶饋電。

用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便地光刻，制作簡(jiǎn)便。但這時(shí)饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線方向圖，降低增益。為此，一般要求微帶線寬度W不能太寬，希望 W ＜λg。這要求微帶線特性阻抗Z0要高些或基片厚度h小，介電常數(shù)εr大。

天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋點(diǎn)沿矩形貼片的兩邊移動(dòng)時(shí)，天線諧振電阻將會(huì)變化，此外饋點(diǎn)位置的改變將使饋線與天線間的耦合改變。在設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)多次調(diào)整計(jì)算得到饋電點(diǎn)的位置為偏離天線中心1.2 mm處。

（3）天線陣元間的互耦分析

影響陣列天線陣元之間互耦的因素有：陣元之間的距離，即距離越大互耦越小；陣元是否分布在另一個(gè)陣元的輻射方向圖的比較強(qiáng)的部分，如果彼此都在對(duì)方輻射比較強(qiáng)的方向上，則耦合就比較明顯；對(duì)于線陣來(lái)說(shuō)，平行陣比共線陣耦合強(qiáng)烈。設(shè)計(jì)中將綜合對(duì)以上各因素加以考慮。

1.2 1×4微帶共形相控陣設(shè)計(jì)

因矩形貼片單元在制版、微帶線饋電及匹配等方面較其它形狀貼片有明顯的優(yōu)勢(shì)，故陣列的輻射單元采用矩形貼片。

依據(jù)設(shè)計(jì)目的及結(jié)合傳統(tǒng)矩形貼片天線的設(shè)計(jì)方法，選取貼片的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝1；陣列單元曲率r=200 mm；天線工作頻率f0=35 GHz；自由空間波長(zhǎng)λ0=8.571 mm, 單元間傳輸線的長(zhǎng)度為d=0.5λ =4.285 mm。

在確定了矩形微帶貼片單元形式和介質(zhì)基片參數(shù)后，即可以決定貼片單元的寬度W。因?yàn)閷?duì)于工作在主模TM01模的矩形微帶貼片天線長(zhǎng)度近似為λg2，而介質(zhì)內(nèi)的波長(zhǎng)。這里εe為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)決定，eε的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中W是一個(gè)寬度的度量，既可以是寬邊，也可以是窄邊。由此可見(jiàn)rε和h確定后，eε就由寬度W決定了[5]。而W的尺寸對(duì)微帶天線各方面性能均有影響，且同時(shí)考慮到防止產(chǎn)生高次模引起場(chǎng)的畸變，寬度 W 的尺寸不得超過(guò)下式給出的值：

式中c為光速， f0為諧振頻率，由此可見(jiàn)W總是小于λ02的值。

矩形微帶貼片天線的長(zhǎng)度L在理論上近似為λg2，但工程實(shí)際上由于邊緣場(chǎng)的影響，在確定L的尺寸時(shí)應(yīng)從λg2中減去2ΔL。ΔL的值由下式給出：

于是：

由此可見(jiàn)，L不僅與rε、W有關(guān)，還與厚度h有較大關(guān)系。

根據(jù)微帶天線的基本理論及公式計(jì)算出天線相關(guān)參數(shù)，并用軟件CST對(duì)微帶貼片天線仿真和優(yōu)化，最后選取天線的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)=4 mm，W =6 mm，H=0.5 mm；饋線寬度為w=0.24 mm。

2 共形相控陣列的建模與仿真分析

共形陣可以使陣元共形排列在載體表面，如果需要在方位角上提供的掃描，則需要使陣元共形在圓柱體表面，所以設(shè)計(jì)中選用簡(jiǎn)單的圓柱共形陣列進(jìn)行建模。并由陣列天線的基本理論對(duì)均勻圓柱形陣列的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算和分析[5]。

根據(jù)以上各優(yōu)化參數(shù)，在CST軟件中構(gòu)建一個(gè)圓柱體，然后建立一個(gè)貼片柱，在圓柱體上生成一個(gè)貼片柱面，取柱面與貼片柱的公共部分，這樣就可在圓柱體上建立共形天線陣模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1×4共形相控陣天線模型

1×4共形相控天線模型建立后，即可對(duì)其進(jìn)行仿真研究。仿真得出S參數(shù)的變化曲線如下頁(yè)圖2所示。圖2中S參數(shù)到達(dá)極值點(diǎn)-29.08 dB，帶寬為5.7%。

三維輻射方向圖(天線方向圖)如下頁(yè)圖3所示。圖3中主瓣顏色越深的地方說(shuō)明輻射性越強(qiáng)，也就是天線陣元的疊加結(jié)果。由圖3中亦可看出：陣元個(gè)數(shù)越多,其方向圖的波瓣寬度越窄,天線的方向性性能越佳。圖 3中參數(shù)為：

圖2 S參數(shù)曲線

圖3 天線陣的遠(yuǎn)場(chǎng)方向

三維圖雖給出了輻射方向圖的很好的總體印象，但不能提供定量信息[6]。為了直觀了解天線陣的主副增益，3 dB波束寬度及輻射方向，做出其極坐標(biāo)下的二維圖，即共形相控陣的E面方向圖和H面方向圖，分別如圖4、5所示。

圖 4里面的參數(shù)為：Frequency=35；Main lobe magnititude=13.1 dBi；Main lobe direction=5.0 deg.；Angular width[3dB]=17.5 deg.；Side lobe level=-7.6 dB。圖5里的參數(shù)為：Frequency=35；Main lobe magnititude=5.8dBi；Main lobe direction=5.0deg.；Angular width[3dB]=275.0 deg.；Side lobe level=-2.1 dB。

圖4 天線陣的E面方向

圖5 天線陣的H面方向

仿真得到天線陣的增益為13.64 dB；E面主瓣寬度17.5°；E面副瓣電平-7.6 dB；H面主瓣寬度32.7°；H面副瓣電平-2.1 dB；輸入阻抗99.16 Ω。

3 結(jié)語(yǔ)

選取陣元時(shí)要考慮到柱面微帶貼片單元的增益高、厚度小、諧振頻率高、方向圖均勻，且易加工制作在彈體上，因此柱面微帶天線單元可作為共形相控陣天線中的輻射單元。

根據(jù)所得的仿真數(shù)據(jù)分析，當(dāng)柱面的半徑很大時(shí)，單元的曲率對(duì)天線的影響很小，頻率略有偏移。設(shè)計(jì)中選取曲率半徑為200 mm , 此時(shí)諧振頻率為34.924 GHz , S11 參數(shù)在諧振頻率上達(dá)到了-29.08 dB。

對(duì)于陣列天線的間距選擇要考慮傳輸線的阻抗變化特性，同時(shí)還要考慮天線陣的增益，設(shè)計(jì)中選擇0.5λ長(zhǎng)度的傳輸線。

通過(guò)對(duì)大量仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出方向圖隨陣元個(gè)數(shù)的變化的特點(diǎn)為：陣元個(gè)數(shù)越多,其方向圖的波瓣寬度越窄,天線的方向性性能越佳。如果陣元個(gè)數(shù)沿H面或E面的陣元個(gè)數(shù)相同,那么天線陣在該方向的方向圖具有大抵相同的方向性。

[1] 郝鳳玉,周希朗.一種新型超寬帶平面單極微帶天線的設(shè)計(jì)與研究[J].通信技術(shù),2008,41(01):25-27.

[2] 劉穎,李萍.新型寬帶容性饋電微帶天線單元仿真設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2008,41(11):47-48.

[3] 張福順,焦永昌,馬金平,等. 彈體上 S波段微帶共形天線陣[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),1998,13(02):209-212.

[4] 余彥民,趙建中,吳文.共形環(huán)狀毫米波微帶天線研究[J].制導(dǎo)與引信,2005,26(03):43-46.

[5] 王揚(yáng)智.張麟兮.韋高. 基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(11):2603-2606.

[6] Vaskelainen L I. Phased Synthesis of Conformal Array Antennas[J].IEEE Trans. Antennas Propagat,2000,48(06):987-991.