一種賦形波束陣列天線的設(shè)計(jì)

摘要：本文根據(jù)多點(diǎn)定位系統(tǒng)的天線要求，首先設(shè)計(jì)印刷的單極子天線單元，之后將5個(gè)天線單元綜合為天線陣列，再應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化各陣元的幅度和相位分布，根據(jù)各陣元的幅度和相位，設(shè)計(jì)出微帶功分器。最后在功分器各端口的幅相導(dǎo)入總體天線模型并進(jìn)行仿真?？傮w天線的最大增益為6.4dB，在仰角0°～58°內(nèi)滿足賦形要求，且副瓣最大相對(duì)增益為-30dB。

引言

　　近年來，機(jī)場場面監(jiān)視得到了重視和發(fā)展，無源多點(diǎn)定位(MLAT)是一種新式的目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)，可推廣用于機(jī)場場面、進(jìn)近和航路(廣域多點(diǎn)定位)的目標(biāo)監(jiān)視，是一種非協(xié)同監(jiān)視技術(shù)^[1]。在多點(diǎn)定位系統(tǒng)中，要求天線以水平方向?yàn)槿?，垂直方向的方向圖為水平面以上寬波束賦形，并且需要低副瓣電平，因此，需要賦形波束陣列天線，以滿足天線方向圖的要求。該天線用于接收機(jī)場區(qū)域飛機(jī)或者地面移動(dòng)目標(biāo)(車輛)上發(fā)送的(1090±5)MHz的ADS-B信號(hào)。文獻(xiàn)[2]使用離散傅里葉變換(DFT)和遺傳算法相結(jié)合的方法，優(yōu)化了含17個(gè)單元、頻段在X波段的天線陣，實(shí)現(xiàn)了0°～30°的波束覆蓋，并有效抑制了副瓣;文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種印刷偶極子陣列天線，該天線水平方向波束寬度約為70°，垂直方向圖為余割平方形。而要實(shí)現(xiàn)水平方向上全向、空域中寬波束覆蓋，宜選用全向天線作為陣列單元，并垂直地面布陣，調(diào)節(jié)各陣元幅相，使其滿足方向圖賦形要求。

1 天線陣列單元的設(shè)計(jì)和仿真

　　天線陣列單元選擇全向天線，本文采用印刷單極子的形式^[4]，天線饋電用SMA接頭和微帶傳輸線實(shí)現(xiàn)。這種印刷單極子天線單元加工成本低、精度高，且便于組裝^[5]。

　　圖1是印刷單極子天線在HFSS中的仿真模型，基板材料采用FR4，圖中最上方的帶狀結(jié)構(gòu)為天線的λ/2輻射段，下方為微帶傳輸線，用來進(jìn)行阻抗變換。仿真優(yōu)化后的印刷單極子天線的介質(zhì)板厚度為1mm，介質(zhì)板大小為101mm×63mm，輻射段長度為44mm，寬度為12mm，微帶傳輸線長度為44mm，寬度為2.4mm^[6]。

　　HFSS仿真得到該天線在1090MHz的駐波比為1.02，(1090±10)MHz內(nèi)駐波比小于1.2。該天線在XOZ平面的增益在1.7dB～2.1dB，全向性很好。H面上完全全向，E面內(nèi)在-60°～+60°內(nèi)近似全向。因此，陣列沿Y軸分布。

2 陣列單元幅度、相位分布

　　一個(gè)陣列的波束方向圖等于該陣列單元方向圖與陣列因子方向圖的乘積，即：

G(φ,θ)=F(φ,θ)×f(φ,θ)

　　式中G(φ,θ)是陣列的方向圖，F(φ,θ)是陣列因子方向圖，f(φ,θ)是陣元的方向圖。因本文采用的陣列單元為全向天線，所以只需使陣列方向圖滿足賦形要求即可。本文在天線陣列方向圖綜合^[7]的基礎(chǔ)上使用遺傳算法來優(yōu)化各單元的幅度和相位。

2.1 遺傳算法簡介

　　遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)是一種全局優(yōu)化算法，是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型。它的思想源于生物遺傳學(xué)和適者生存的自然規(guī)律，是具有“生存+檢測”的迭代過程的搜索算法，現(xiàn)已經(jīng)被工程師成功地運(yùn)用到了天線領(lǐng)域，解決了許多陣列天線綜合的問題。

　　本文先通過天線陣列綜合方法得到一組解，如表1所示。然后在幅度差為0.2、相位差在60°以內(nèi)，用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 MATLAB仿真

　　通過MATLAB 7.0仿真得到的各陣元幅度、相位理論值以3號(hào)陣元作歸一化后如表2所示，方向圖如圖2所示。在MATLAB仿真結(jié)果中，方向圖在天頂角30°～90°滿足賦形要求，且最大副瓣約為-15dB。

2.3 陣列仿真

　　將MATLAB仿真計(jì)算得到的功率比(表1中幅度比的平方)、相位值代入HFSS印刷單極子陣列模型進(jìn)行仿真。陣列仿真模型如圖3所示，陣列垂直方向歸一化方向如圖4所示。天線最大增益約為6.5dB，天頂角32°相對(duì)增益約為-20dB，天頂角90°相對(duì)增益約為-9.4dB，最大副瓣約為-27.9dB。

3 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和仿真

　　根據(jù)MATLAB仿真計(jì)算得出的功率、相位分布，設(shè)計(jì)多個(gè)wilkison功分器級(jí)聯(lián)進(jìn)行功率分配[9]，以實(shí)現(xiàn)各陣元的幅相要求。因?yàn)槭褂秒娎|和SMA接頭與天線單元連接，對(duì)輸出端口的位置沒有限制，所以優(yōu)先考慮小型化。功分器HFSS仿真模型如圖5所示，功分器在1090MHz±10MHz內(nèi)駐波比約為1.22，各端口輸出幅度比和各輸出端口相位以3號(hào)端口作歸一化后如表3所示。幅度實(shí)際值與理論值誤差在5%以內(nèi)，相位誤差在3°以內(nèi)。

4 整體

　　仿真

　　將功分器各輸出端口的功率、相位導(dǎo)入MATLAB檢驗(yàn)之后，再導(dǎo)入HFSS天線陣列模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。天線陣列的最大增益約為6.4dB，指向約為天頂角70°，半功率波束寬度約為27°;天頂角32°相對(duì)增益約為-20.2dB，天頂角90°相對(duì)增益約為-9.0dB，最大副瓣小于-30dB。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)出一種水平方向圖為全向、垂直方向?yàn)閷?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/波束賦形">波束賦形的微帶陣列天線。采用5個(gè)印刷單極子組陣，并用微帶型Wilkison功分器實(shí)現(xiàn)饋電。天線陣列的最大增益約為6.4dB，且最大副瓣與最大增益相比約為-30dB。該天線陣列結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，作為ADS-B接收天線，有很好的應(yīng)用前景。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第25頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。