用于調頻連續波雷達系統的寬帶高增益天線陣設計

傅世強, 張佳琦, 李 超, 陳韋寧, 房少軍

(大連海事大學信息科學技術學院, 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著科技的迅猛發展,雷達系統在民用領域的應用日益廣泛。在各種雷達系統中,調頻連續波(frequency modulation continuous wave, FMCW)雷達由于其對發射功率峰值要求較低,結構簡單而被大量應用在測距測速、無人機導航、盲點監測等領域[1]。而在FMCW雷達的實際應用中,為使檢測目標物體時測距精度更高,同時減小收發互耦影響以增大隔離,對射頻前端系統中的天線有更高性能的要求,例如頻帶寬、波束窄和增益高[2]。

在各種類型天線中,對數周期天線頻帶較寬但是增益中等,而八木天線單元數越多增益越高,但結構復雜,頻帶較窄[3]。采用單元組陣的方式來提高天線增益是常見的方法,但單元天線的帶寬往往限制了天線陣的整體帶寬[4]。文獻[5]設計了一種超寬帶單極子天線,但結構不易于組陣,限制了其作為陣元的選擇;而印刷偶極子天線及其變形結構具有頻帶寬、增益高,易于組陣的特點,得到了廣泛的研究[6-8]。在印刷偶極子天線結構基礎上,文獻[9]通過引入背腔和文獻[10]通過引入寄生引向貼片,進一步提高了單元天線的增益。文獻[11]給出了一種近似橢圓結構的超寬帶偶極子天線,在很寬的工作頻帶內具有良好的阻抗特性和輻射特性。文獻[12]則基于橢圓形印刷偶極子為單元組成陣列天線,設計了32元天線陣,但由于采用等功分饋電網絡,副瓣電平較高,并且在頻率較高處方向性畸變嚴重。

本文設計了一種蝶形印刷偶極子天線單元,采用寬偶極子漸變結構能夠有效地展寬工作帶寬,并且利用16個單元天線組成陣列,提高增益;通過不等功分和寬帶多節匹配平行帶線饋電網絡在陣元間進行連接,降低副瓣電平,提高天線陣主瓣性能并展寬天線工作帶寬;通過在天線下方放置一塊金屬反射板實現天線的定向輻射,可以增大前后比;經寬帶匹配微帶漸近巴倫結構變換到50Ω同軸端口,改善不平衡饋電的問題。

1 天線結構設計

1.1 單元天線設計

為節省成本,設計的蝶形印刷偶極子單元天線蝕刻在相對介電常數4.4,厚度0.8 mm的FR4介質基板上,如圖1所示。圖中黑色區域為介質基板正面貼片,白色區域為介質基板背面貼片。W1與W2為貼片寬度,其尺寸大小影響天線的輸入阻抗特性,在一定范圍內,越寬其輸入阻抗的實部和虛部曲線波動越小,合適的寬度可有效展寬天線的帶寬。L為貼片的橫向臂長,它的長度主要影響偶極子中心頻率和方向性。s為兩貼片之間的距離,w是平行帶線饋線寬度,l則為饋線長度。為實現天線的定向輻射,在距離介質基板底部H處放置一塊金屬反射板,理論上H為中心頻率的四分之一波長,并根據實際仿真優化做出調整。

圖1 單元天線結構示意圖Fig.1 Structure of the antenna element

根據理論計算出單元天線尺寸初值,利用電磁仿真軟件HFSS進行優化。優化過程中首先調整橫向臂長L,觀察輸入阻抗曲線得到天線大致的工作頻率范圍;然后改變W1和W2,使天線的阻抗曲線虛實部變得更平坦,以增加工作帶寬;最后觀察偶極子天線表面電流,微調s以便得到較寬頻率范圍內較好的輻射方向性圖。

圖2 單元天線輸入阻抗隨頻率變化曲線Fig.2 Antenna element input-impedance curve versus frequency

圖3 單元天線輻射方向性圖仿真結果Fig.3 Simulated result of the antenna element radiation pattern

最終得到尺寸參數為W1=16 mm,W2=23 mm,L=10 mm,s=2.3 mm,w=1 mm,l=4 mm,H=15 mm。優化后該單元天線的輸入阻抗曲線仿真結果如圖2所示。由圖可知,在4～7 GHz頻率范圍內天線輸入阻抗實部在100 Ω上下浮動,而虛部則在0 Ω附近波動,天線可與100 Ω饋電端口達到較好的匹配。圖3為單元天線分別在4 GHz、5.5 GHz、7 GHz處,E面和H面輻射方向性圖。由圖可知,單元天線的最大輻射方向與天線所在平面垂直,增益最大值達8.9 dB,最小值為7.9 dB。同時可看出,當天線工作在7 GHz時,最大輻射方向逐漸由0°向兩側偏移,方向性圖開始發生畸變。

1.2 天線陣設計

將上述單元天線作為陣元,組成16元印刷偶極子天線陣,陣元間通過T型平行帶線功分網絡進行連接。為使天線陣依然保持單元天線寬頻帶的特性并提高天線陣的整體性能,功分網絡采用多節阻抗匹配和不等功分設計。通過微帶漸近巴倫結構連接到50 Ω同軸饋電端口,最后由固定圓柱螺絲連接介質板和金屬反射板,組成天線陣的整體結構,如圖4所示。x和y為陣元分別與兩個垂直方向上相鄰陣元的陣間距。陣間距的大小主要影響天線陣的方向性和增益,陣元間距過小,陣元之間會產生強烈的互耦效應,對阻抗特性影響較大,而間距過大,又會有柵瓣產生,減小增益帶寬,在綜合考慮阻抗特性,方向性和增益帶寬的情況下,優化得到陣元間距x=y=39 mm。

圖4 天線陣結構示意圖Fig.4 Structure of the antenna array

根據單元天線的阻抗特性設計T型平行帶線形式的功分網絡,使各陣元在4～7 GHz內實現功率分配。相對于等功分饋電而言,不等功分饋電可以抑制副瓣[13]。而二項式分布饋電功率分配比1∶3∶3∶1對抑制副瓣可達到最好的效果,但由于阻抗比過大,線寬過細,不易實現。為使該4×4天線陣列獲得更好的方向性并考慮到工程易于實現,對其采用功率分配比為1∶2∶2∶1進行饋電。由于天線陣中心能量較強,中心的單元天線間互耦影響較為嚴重。為此在功分網絡最后一節阻抗匹配采用三節切比雪夫阻抗變換器來實現,可以在較寬的頻帶上獲得理想的阻抗匹配特性[14]。由于所設計的饋線是平衡結構,直接用同軸饋電連接,其性能會受到非平衡饋線的影響。因此使用寬帶微帶漸變巴倫結構實現不平衡信號到平衡信號的轉換。與采用同軸接頭側饋巴倫轉換方式[12]相比,本文采用同軸底饋巴倫轉換結構,更加緊湊。通過調節漸變微帶的長度和寬度,可在很寬頻率范圍內實現很好的阻抗匹配。

2 天線仿真與實測

利用電磁仿真軟件HFSS對天線陣進行了大量的仿真分析,由于天線陣陣元互耦的影響,改變了功分網絡終端的阻抗,為此對饋電網絡中三節切比雪夫阻抗變換器尺寸進行了優化微調,使天線陣與功分網絡實現匹配對接。根據最終優化結果加工了天線實物,如圖5所示。

圖5 天線陣實物Fig.5 Fabricated antenna array

使用Agilent N5230A 矢量網絡分析儀測試了天線的S參數。圖6給出了天線陣仿真和實測S參數對比曲線,從圖中可看出在3.8～6.6 GHz頻段內,其實測回波損耗大于10 dB,相對帶寬達到54%。仿真結果與實測結果具有較好的一致性。

伊利諾伊州芝加哥大學的神經生物學家魏巍正使用GEVIs研究不同的電輸入信號是如何在小鼠視網膜神經元內被整合的。魏巍的研究興趣涉及一類能夠對一定方向運動的視覺刺激產生強烈反應的神經元。通過觀測這些神經元不同部位膜電位的變化，她希望可以理解細胞如何處理輸入信號，以探測刺激的運動方向。

圖6 天線陣仿真與測試回波損耗結果對比Fig.6 Comparison of the simulated and measured return loss of the antenna array

在微波暗室中測試該天線陣的方向性和增益。其中,4.5 GHz、5.5 GHz、6.5 GHz 3個頻點的方向性參數實測結果如表1所示。圖7為天線在頻率5.5 GHz處E面和H面的輻射方向性圖,可以看出方向性圖的實測結果和仿真結果基本吻合。實測的天線陣增益隨頻率變化曲線如圖8所示,在4～7 GHz內天線陣的增益在15 dB以上,最高增益達17 dB。

表1 天線在不同頻點處的方向性參數

圖7 5.5 GHz輻射方向性圖Fig.7 5.5 GHz radiation pattern

圖8 天線陣實測增益曲線Fig.8 Measured gain of the antenna array

3 結 論

本文提出了一種不等功分饋電的16單元蝶形印刷偶極子天線陣,該天線陣具有頻帶寬增益高的特性。使用電磁仿真軟件HFSS進行仿真優化,根據優化出的結果尺寸制作實物并進行測試。測試結果表明,該天線在3.8～6.6 GHz內回波損耗大于10 dB,相對帶寬為54%。在該頻率范圍內,天線具有良好的方向性,天線的增益在15 dB以上,最高增益達17 dB。仿真和實測結果有著良好的一致性。該天線成本低、易于加工和批量生產,目前已成功應用于FMCW雷達系統工程中。