一種賦形波束陣列天線的設計

2020-12-13 電子產品世界

摘要：本文根據多點定位系統的天線要求，首先設計印刷的單極子天線單元，之後將5個天線單元綜合為天線陣列，再應用遺傳算法優化各陣元的幅度和相位分布，根據各陣元的幅度和相位，設計出微帶功分器。最後在功分器各埠的幅相導入總體天線模型並進行仿真。總體天線的最大增益為6.4dB，在仰角0°～58°內滿足賦形要求，且副瓣最大相對增益為-30dB。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201608/296181.htm

引言

　　近年來，機場場面監視得到了重視和發展，無源多點定位(MLAT)是一種新式的目標監視技術，可推廣用於機場場面、進近和航路(廣域多點定位)的目標監視，是一種非協同監視技術[1]。在多點定位系統中，要求天線以水平方向為全向，垂直方向的方向圖為水平面以上寬波束賦形，並且需要低副瓣電平，因此，需要賦形波束陣列天線，以滿足天線方向圖的要求。該天線用於接收機場區域飛機或者地面移動目標(車輛)上發送的(1090±5)MHz的ADS-B信號。文獻[2]使用離散傅立葉變換(DFT)和遺傳算法相結合的方法，優化了含17個單元、頻段在X波段的天線陣，實現了0°～30°的波束覆蓋，並有效抑制了副瓣;文獻[3]設計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°，垂直方向圖為餘割平方形。而要實現水平方向上全向、空域中寬波束覆蓋，宜選用全向天線作為陣列單元，並垂直地面布陣，調節各陣元幅相，使其滿足方向圖賦形要求。

1 天線陣列單元的設計和仿真

　　天線陣列單元選擇全向天線，本文採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現。這種印刷單極子天線單元加工成本低、精度高，且便於組裝[5]。

　　圖1是印刷單極子天線在HFSS中的仿真模型，基板材料採用FR4，圖中最上方的帶狀結構為天線的λ/2輻射段，下方為微帶傳輸線，用來進行阻抗變換。仿真優化後的印刷單極子天線的介質板厚度為1mm，介質板大小為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內駐波比小於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面內在-60°～+60°內近似全向。因此，陣列沿Y軸分布。

2 陣列單元幅度、相位分布

　　一個陣列的波束方向圖等於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。因本文採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]的基礎上使用遺傳算法來優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)是一種全局優化算法，是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的計算模型。它的思想源於生物遺傳學和適者生存的自然規律，是具有「生存+檢測」的迭代過程的搜索算法，現已經被工程師成功地運用到了天線領域，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。然後在幅度差為0.2、相位差在60°以內，用遺傳算法進行優化。

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號陣元作歸一化後如表2所示，方向圖如圖2所示。在MATLAB仿真結果中，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°相對增益約為-20dB，天頂角90°相對增益約為-9.4dB，最大副瓣約為-27.9dB。

3 饋電網絡的設計和仿真

　　根據MATLAB仿真計算得出的功率、相位分布，設計多個wilkison功分器級聯進行功率分配[9]，以實現各陣元的幅相要求。因為使用電纜和SMA接頭與天線單元連接，對輸出埠的位置沒有限制，所以優先考慮小型化。功分器HFSS仿真模型如圖5所示，功分器在1090MHz±10MHz內駐波比約為1.22，各埠輸出幅度比和各輸出埠相位以3號埠作歸一化後如表3所示。幅度實際值與理論值誤差在5%以內，相位誤差在3°以內。

4 整體

　　仿真

　　將功分器各輸出埠的功率、相位導入MATLAB檢驗之後，再導入HFSS天線陣列模型進行仿真，仿真結果如圖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°相對增益約為-20.2dB，天頂角90°相對增益約為-9.0dB，最大副瓣小於-30dB。

5 結論

　　本文設計出一種水平方向圖為全向、垂直方向為寬波束賦形的微帶陣列天線。採用5個印刷單極子組陣，並用微帶型Wilkison功分器實現饋電。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。該天線陣列結構簡單，加工成本低，作為ADS-B接收天線，有很好的應用前景。

參考文獻:

　　[1]沈金良.機場場面無源多點定位系統研究[J].艦船電子對抗, 2015.2 38(1):13-17.

　　[2]GAO Zhiguo, Yang Bing. Antenna pattern synthesis of shaped-beam using a new combined algorithm.Antennas and Propagation (APCAP), 2014 3rd Asia-Pacific Conference on.2014: 291-293, DOI: 10.1109/APCAP.2014.6992477.

　　[3]張運啟.餘割平方賦形波束陣列天線的研究[D].西安: 西安電子科技大學. 2012.

　　[4]Keith R Carver, James W Mink. Microstrip antenna technology. IEEE Transactions On Antennas and Propagation, Jan.1981, Vo l. AP -29, NO.1, pp .2-24.

　　[5]鍾順時. 微帶天線理論與應用[M].西安電子科技大學出版社. 1991.

　　[6]林昌祿. 天線工程手冊[M].電子工業出版社, 2002.

　　[7]R. C. Hansen. Array pattern control and synthesis. Proc. IEEE, Jan. 1992 vo1.80, pp.141-151.

　　[8]陳國良,王煦法,莊鎮泉,等.遺傳算法及其應用[M].人民郵電出版社, 1996,6.

　　[9]程敏鋒,劉學觀.微帶型 Wilkinson 功分器設計與實現[J].現代電子技術. 2006, 29(20): 25-26.

本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第8期第25頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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