K波段微帶天線陣列設計

吳慧峰，王 建，饒玉如

(電子科技大學 電子工程學院， 成都 611731)

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·天饋伺系統(tǒng)·

K波段微帶天線陣列設計

吳慧峰，王 建，饒玉如

(電子科技大學 電子工程學院， 成都 611731)

為了提高雷達的作用距離、作用范圍以及減小其他方向的干擾，針對雷達對天線的要求，文中通過采用不等間距的變尺度算法設計優(yōu)化了一種具有特殊方向圖的收發(fā)天線系統(tǒng)。仿真設計了集成在同一塊Rogers4350B材質(zhì)上的一副發(fā)射天線(TX)、兩副接收天線(RX1、RX2)微帶天線陣，并且使該天線陣列在E面形成特殊形狀的方向圖。最后，對三天線系統(tǒng)進行了加工測試，測試結(jié)果表明：該天線陣列E面波束賦形效果良好，有效地提高了雷達的作用距離和作用范圍，并且減小了其他方向信號的干擾。

微帶陣列；波束賦形；三天線系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國車輛數(shù)目的不斷增加，優(yōu)化電子收費系統(tǒng)(ETC)雷達的性能成為迫切的需求[1]。對于測速雷達來說，路上的車況比較復雜，車輛的速度較快，增加雷達的作用距離、作用范圍，排除來自其他方向的干擾和降低造價是ETC雷達所必須要考慮的。因此，設計特殊形狀方向圖的雷達是解決ETC雷達需求的重要方式。

微帶貼片天線具有體積小、低剖面、質(zhì)量輕、易集成、造價低等優(yōu)點[2-4]。因此，將其應用于ETC雷達系統(tǒng)中，不僅能滿足ETC雷達的性能指標，還能有效降低成本，更利于產(chǎn)業(yè)化[5-6]。

文獻[7]提出了一種用于ETC雷達的8×16的微帶相控陣天線陣列，其采用等幅同相的饋電方式先設計了1×16的線陣，通過控制8個端口的相位來實現(xiàn)波束掃描,沒有進行加工實測；文獻[8]提出了一種三天線系統(tǒng)，由一副8×6的發(fā)射天線和兩副8×2的天線陣列組成，其采用了Taylor綜合法實現(xiàn)了高增益、低副瓣、窄波束等要求，沒有進行波束賦形設計，不能滿足ETC雷達對天線的要求。

本文設計的微帶天線陣列工作在K波段,采用了不等間距波束賦形的方法設計了一種在E面具有特殊形狀方向圖的收發(fā)天線系統(tǒng)，比文獻[7-8]中介紹的應用于ETC雷達的天線更好地解決了ETC雷達對作用距離、作用范圍以及減小其他方向的干擾的需求。

1 變尺度優(yōu)化方法原理

在微帶天線陣列的設計中，貼片的饋電相位與微帶功分器的臂長相關(guān)，因此，微帶單元貼片的饋電相位可以通過改變功分器的臂長和貼片的位置來實現(xiàn)。接下來將推導既包含單元貼片的饋電幅度、相位，又包括貼片位置的陣因子來作為優(yōu)化的目標函數(shù)[9-10]。

1.1 陣因子函數(shù)的推導

推導四單元微帶陣列的陣因子函數(shù)，各個陣元位置如圖1所示。

圖1 陣元位置示意圖

I1e-jα1e-jkd2cosθ+I2e-jα3ejkd3cosθ+

I3e-jα3ejk(d3+d4)cosθ

(1)

式中：S(θ)為陣因子函數(shù)；In、αn分別為第n個單元的激勵幅度與相位，an=Inejαnun=kdncosθ，θ=0°～180°，k=2π/λ。d1、d2、d3、d4與每個貼片所需的饋電相位相關(guān)，其關(guān)系為

d1=λg-(α0-α1)/360λg

(2)

d2=[λg-(α2-α1)/360λg]/2

(3)

d3=[λg+(α2-α1)/360λg]/2

(4)

d4=λg-(α3-α2)/360λg

(5)

式中：λg為介質(zhì)波長。

1.2 變尺度算法

對貼片單元的激勵幅度和相位進行優(yōu)化，需要給出歸一化目標函數(shù)F0(θ)，建立目標函數(shù)

(6)

式中：x=(I0,I1,I2,I3,α0,α1,α2,α3)為各單元的激勵幅度與相位；θi為θ在-90°～90°內(nèi)的第i個取樣點；S(θi)=S(θi)/Smax為微帶陣列歸一化陣因子；Smax為陣因子最大值；S(θi)為1.1節(jié)中推導的陣因子，由式(1)給出。M為目標函數(shù)F0(θ)在θ=-90°～90°內(nèi)的取樣點數(shù)，可取M=1 800。

(7)

2 天線陣列設計

2.1 陣列單元設計

在本文的設計過程中，采用的基板材料為Rogers4350B，其介電常數(shù)為3.8，損耗正切角為0.009，厚度為0.254mm，敷銅厚度為0.017mm。采用HFSS軟件的建模仿真，模型如圖2所示，經(jīng)過仿真優(yōu)化之后的最終尺寸如表1所示。在中心頻率24.125GHz達到5.8dBi，E面和H面歸一化方向圖如圖3所示。

圖2 單元結(jié)構(gòu)示意圖

表1 單元參數(shù)表 mm

參數(shù)計算值優(yōu)化值備注L4．01354．1034貼片長度W3．10253．1025貼片寬度Ls/1．30開槽長度Ws/1．10開槽寬度Wf1．051．10饋線寬度Lf0．400．45饋線長度

圖3 單元的E面、H面歸一化方向圖

2.2 發(fā)射天線設計

本文中的發(fā)射天線陣列要求增益大于11 dBi，E面波束最大值指向偏離法線方向15°，垂直波束寬度≥25°，垂直方向的最大值偏向一側(cè)的副瓣電平≤-18 dB，另一側(cè)第一零點電平≥-18 dB。H面要求波束寬度≥25°，副瓣電平≤-18dB。經(jīng)理論計算需要設計成4×4的陣列，E面采用1.2節(jié)中得到的激勵幅度相位來饋電，各單元的激勵幅度及相位如表2所示，H面的激勵幅度及相位如表3所示。設計滿足上述單元激勵幅度要求的功分器。將設計好的功分器和單元連接起來，經(jīng)過仿真優(yōu)化調(diào)整之后，陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表2 發(fā)射天線E面各單元的激勵幅度及相位

表3 發(fā)射天線H面各單元的激勵幅度及相位

圖4 發(fā)射天線陣列結(jié)構(gòu)

2.3 接收天線設計

接收天線的增益要求≥5 dBi，E面波束最大值指向偏離法線方向15°，垂直波束寬度≥25°，垂直方向的最大值偏向一側(cè)的副瓣電平≤-18 dB，另一側(cè)第一零點電平≥-18dB。水平面要求波束寬度≥60°，副瓣電平≤-18 dB。經(jīng)理論計算，采用1×4陣列。E面各單元的激勵幅度及相位如表4所示。并根據(jù)各單元的激勵幅度相位設計功分器。將設計好的功分器和單元進行連接仿真優(yōu)化微調(diào)后，接收天線陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表4 發(fā)射天線E面各單元的激勵幅度及相位

圖5 接收天線陣列結(jié)構(gòu)

3 仿真與測試結(jié)果

根據(jù)要求兩副接收天線的距離為d12=λ/2。同時，收發(fā)天線之間的隔離度應低于-25 dB，調(diào)整三副天線的相對位置。三天線的布局如圖6所示。

圖6 三天韁布局示意圖

使用HFSS軟件對上述結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型加工成實物，如圖7所示。使用網(wǎng)絡分析儀對天線的S參數(shù)進行測試，測試環(huán)境如圖8所示。電壓駐波比仿真與測試結(jié)果如圖9所示，收發(fā)隔離度仿真與測試結(jié)果如圖10所示。

圖7 天線實物圖

圖8 駐波測試環(huán)境

圖9 電壓駐波比仿真、測試結(jié)果

圖10 收發(fā)天線隔離度仿真、測試結(jié)果

由圖9和圖10知，在23.975 GHz～24.275 GHz的頻率范圍內(nèi)電壓駐波比<1.6，收發(fā)隔離度<-28 dB。結(jié)果表明：三天線匹配良好，且收發(fā)隔離度高，滿足設計要求。

使用微波暗室的天線遠場測試系統(tǒng)對天線輻射特性進行測試，測試環(huán)境如圖11所示，仿真、測試結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖11 天線測試環(huán)境

圖12 發(fā)射天線(TX)的E面歸一化方向圖

圖13 發(fā)射天線(TX)的H面歸一化方向圖

由圖12、圖13可見，在三個頻點上仿真與測試結(jié)果得到的歸一化方向圖吻合較好。測試結(jié)果表明：在所需頻段內(nèi)發(fā)射天線的增益>11.5 dB，H面副瓣<-18 dB，半功率波束寬度>25°，E面第一零點>-18dB，右副瓣<-16 dB，半功率波束寬度>25°，各項指標均達到預期。

由圖14、圖15可見，在三個頻點上仿真與測試結(jié)果得到的歸一化方向圖吻合較好。測試結(jié)果表明：在所需的頻段內(nèi)接收天線的增益>5.5dB，H面副瓣<-20 dB，半功率波束寬度>60°，E面第一零點>-18 dB，右副瓣<-10 dB，半功率波束寬度>25°。

圖14 接收天線E面歸一化方向圖

圖15 接收天線H面歸一化方向圖

4 結(jié)束語

本文研究了四單元不等間距波束賦形的方法，利用該方法和切比雪夫綜合法設計了一款三天線系統(tǒng)。實測結(jié)果表明：該系統(tǒng)各項指標滿足設計要求，有效地提高了ETC雷達的作用距離和作用范圍，并且減小了其他方向信號的干擾。因該天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、價格便宜，滿足批量生產(chǎn)的要求，在ETC雷達領(lǐng)域中有很大的應用價值。

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吳慧峰 男，1992年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

王 建 男，1956年生，教授。研究方向為天線理論與技術(shù)，計算電磁學，微波測量理論與技術(shù)等。

饒玉如 女，1991年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

Design of Microstrip Antenna Array at K Band

WU Huifeng，WANG Jian，RAO Yuru

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

In order to improve the function distance, range and lessen disturbances from other directions, for meeting the needs of antennas in radars, a receiving and transmitting antenna system with special direction pattern is designed and optimized, adopting DFP-BFGS algorithm with unequally-spaced array. Then, a microstrip antenna array with TX and two RXs (RX1、RX2) integrated in a Rogers4350B material is designed and stimulated, forming special direction diagram in E-plane. At last, the triple-antenna is processed and tested, with result that the beam-forming in E-plane of the antenna array has a good effect, effectively improving the function distance and range of radar and lessening the disturbance of signals from other directions.

microstrip；beam-forming；triple-antennas system

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.013

吳慧峰 Email：1522770553@qq.com

2016-08-20

2016-10-25

TN82

A

1004-7859(2016)11-0061-05