用于船舶自動識別系統(tǒng)的機載陣列天線設(shè)計*

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.空軍駐中國西南電子技術(shù)研究所軍事代表室，成都 610036)

用于船舶自動識別系統(tǒng)的機載陣列天線設(shè)計*

蔣 東**1，李 欣2

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.空軍駐中國西南電子技術(shù)研究所軍事代表室，成都 610036)

為了滿足船舶自動識別系統(tǒng)抗干擾性能的要求，設(shè)計了一種機載陣列天線。天線陣列由5個單極子天線單元組成，整體尺寸為Φ720 mm×306 mm，天線單元沿圓周均勻排列。通過泰勒分布和牛頓優(yōu)化算法，優(yōu)化陣列的輻射幅度及相位，得到實測的方位面增益-15 dB抑制范圍達到128°，-20 dB抑制范圍達到77°；裝機后-15 dB抑制范圍在114°以上，-20 dB抑制范圍在51°以上。該陣列天線結(jié)構(gòu)簡單，成本低，滿足機載環(huán)境的使用要求。

船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)；機載天線設(shè)計；陣列天線；單極子天線；抗干擾性能

1 引 言

隨著海面船只越來越多,海上電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,對船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)抗干擾性能的要求也越來越高。系統(tǒng)中使用的天線不僅要求具有較高的輻射增益及全方位覆蓋能力，而且要對250 km以外的船只具備抗干擾識別能力，這就需要天線在方位面具有較大范圍的干擾抑制能力。因此，需要設(shè)計一種旁瓣抑制度高的波束可切換天線。

目前，在雷達以及其他系統(tǒng)中大量采用相控陣天線形式，而多數(shù)平板相控陣天線增益方向圖會隨著掃描角的不同而改變。為了保證天線性能，就要增加伺服系統(tǒng)，這樣在增加設(shè)備的同時，也帶來了數(shù)據(jù)率、穩(wěn)定性及可靠性下降的問題，從而限制了它在實際工程中的應(yīng)用。而圓形陣列天線具備平板陣列天線無法比擬的全方位掃描能力，因此，很多學(xué)者對其進行了大量理論研究[1-9]：文獻[1-2，4，7]利用圓形陣列天線完成方向圖主瓣賦形；文獻[3]利用加入有向性陣元來提高自適應(yīng)零點的形成；文獻[5]將平面結(jié)構(gòu)超寬頻帶天線作為圓形陣列單脈沖天線；文獻[6]介紹了應(yīng)用于圓形陣列天線的自適應(yīng)抗干擾算法；文獻[8]介紹了一種圓周排列的定向高增益圓極化天線設(shè)計；文獻[9]提出了一種稀疏同心圓陣列天線的半徑優(yōu)化算法。但是，上述文獻均沒有研究圓形陣列天線寬角度旁瓣抑制的方法。為此，本文基于圓周陣列天線對稱性好、互耦平衡的優(yōu)點，運用旁瓣抑制的優(yōu)化算法，抑制圓形陣列天線的旁瓣和后瓣，達到減少主波束以外寬角度范圍干擾的目的。

2 天線要求及方案設(shè)計

天線指標要求：方位面增益大于0 dBi的角度≥60°,方位面主旁瓣比小于-15 dB的角度≥100°,方位面主旁瓣比小于-20 dB的角度≥50°。

根據(jù)主瓣寬度要求，我們選擇圓形陣列天線的圓周直徑為0.72 m，陣元數(shù)量為5個[10]。將5個工作在超短波頻段的單極子天線(A1，A2，…，A5)均勻分布在圓周上，如圖 1所示。通過接收模塊控制每個天線單元的輻射相位和幅度，即可控制陣列天線的波束指向。

(a)陣列天線三維視圖

(b)陣列天線俯視圖圖1 陣列天線視圖Fig.1 The view of the array

圓形陣列天線等間距分布在以o點為圓心、D為直徑的圓周上，天線單元A1位于x軸上，各個單元與x軸方向的角度分別為θ1=0°，θ2=72°，θ3=144°，θ4=216°，θ5=288°。

如圖2所示，要求陣列天線主波束指向與x軸的夾角為θ的x′軸方向。可以認為每個天線單元輻射的電波射線均與x′平行。可以看出各個天線單元輻射波垂直到達y′軸所經(jīng)過的波程為di。

圖2 天線相位差示意圖Fig.2 The view of the array phase shift

由天線理論可知，各個天線單元的移相量分別為

fi=-φi=kdi，i=1,2,…,5 。

(1)

式中：k為自由空間波數(shù)。

當各個天線單元的激勵幅度為I1,I2,…,I5，方向圖為f1(θ),f2(θ),…,f5(θ)，此時天線陣列方向圖為5個天線單元方向圖的疊加：

(2)

對于幅度加權(quán)，先通過泰勒分布[11-12]得到各個天線單元的初步激勵幅度,表達式如下：

(3)

式中：

(4)

N為陣列單元個數(shù)，

(5)

(6)

(7)

(8)

主、旁瓣幅度比為

R0=10R0dB/20,

(9)

R0dB=-SLL。

(10)

式中：SLL為旁瓣電平值。

表1 幅度加權(quán)比例Tab.1 The ratio of the amplitude weighting

由于泰勒分布得到的幅度分布在直線陣中可以很好地抑制旁瓣，而在圓形陣列中這樣的幅度分布只能作為初始值，還需要利用三維高頻電磁仿真軟件(HFSS)中的牛頓優(yōu)化算法繼續(xù)進行優(yōu)化?？紤]到上述幅度比例差值在0.4左右，因此，我們在上述激勵幅度的±0.2范圍內(nèi)進行優(yōu)化仿真，得出最終的圓形陣列幅度加權(quán)，如表2所示。由于天線單元數(shù)量少，天線主波束較寬，我們所取的波束切換指向正好是每個天線單元的分布角度，因此,幅度和相位加權(quán)只需要依次輪換即可。

表2 各個天線單元的幅度相位Tab.2 The amplitude-phase of each element

3 實現(xiàn)驗證

利用仿真軟件對上述陣列天線的設(shè)計進行了仿真并加工了實物。天線實物如圖3所示。圖4給出了高度為300 mm的天線單元仿真和實測的電壓駐波比，可以看出實測電壓駐波比帶寬僅略小于仿真結(jié)果。圖5為波束指向方位0°時的水平面仿真和實測增益方向圖，可以看出仿真和實測方向圖很接近，只在方向圖后瓣有差異。實測的陣列天線最大增益4.2 dBi，3 dB波束寬度為90°，方向圖前后比24 dB；-15 dB旁瓣抑制角度為128°，-20 dB旁瓣抑制角度為77°。由于圓形陣列的對稱性，波束指向其他角度的方向圖與圖5一致。

圖3 天線實物圖Fig.3 Photo of the array

圖4 天線單元電壓駐波比Fig.4 VSWR of the antenna element

圖5 波束指向方位0°時的水平面增益方向圖Fig.5 The horizontal gain pattern when beam direction angle is 0°

對于裝機條件而言，很難在飛機腹部找到直徑0.72 m左右的平面。因此，必須考慮裝機后飛機蒙皮弧面的影響。在本文中，我們考慮直徑為4 m的飛機蒙皮弧面，如圖6所示。

圖6 裝機后陣列天線視圖Fig.6 The view of the onboard array

可以看出,裝機后天線單元并不位于同一水平面上，z方向上的距離差最大為27 mm。同時考慮飛機蒙皮弧面的反射作用，利用仿真軟件對幅度值繼續(xù)進行優(yōu)化，得到的幅度、相位加權(quán)如表3所示?？梢钥闯鱿辔患訖?quán)和表2一致，只是在幅度加權(quán)上有所變化。

表3 裝機后各個天線單元的幅度相位Tab.3 Theamplitude-phase of each element onboard

圖7給出了波束指向0°、72°、144°時的水平面仿真增益方向圖。由于陣列天線關(guān)于x軸對稱，波束指向216°、288°時的水平面增益方向圖與圖7已給出的方向圖對稱?？梢钥闯?，由于受到飛機弧形蒙皮的影響，圓形陣列天線水平面最大增益高于平面底板情況下的最大增益。波束指向不同方位時，旁瓣抑制角度也不同。波束指向各個方向時，方位面主瓣波束增益大于0 dBi的角度均大于60°；-15 dB旁瓣抑制角度均大于114°，-20 dB旁瓣抑制角度均大于51°，可以較好地滿足AIS系統(tǒng)抗干擾性能的需求。

(a)波束指向方位0°時水平面增益方向圖

(b)波束指向方位72°時水平面增益方向圖

(c)波束指向方位144°時水平面增益方向圖圖7 水平面增益方向圖Fig.7 The horizontal gain pattern

4 結(jié) 論

本文通過泰勒分布和牛頓優(yōu)化算法優(yōu)化陣列的輻射幅度加權(quán)，使該陣列天線-15 dB抑制范圍在114°以上，說明泰勒分布也可以應(yīng)用于圓形陣列天線的旁瓣抑制。作者利用圓形陣列天線的優(yōu)點以及合理的優(yōu)化方法，設(shè)計了一種具有較好工程應(yīng)用前景的陣列天線。該天線結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能滿足AIS系統(tǒng)對天線抗干擾性能的要求。

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DesignofanAirborneArrayAntennaforAutomaticIdentificationSystem

JIANG Dong1,LI Xin2

(1.Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036,China;2.Military Delegation Office of Air Force for Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In order to meet the anti-interference requirement of automatic identification system (AIS), an airborne array antenna is designed. The array antenna is composed of five monopole antenna elements which are arranged evenly along the circle. The overall size of the antenna is Φ720 mm×306 mm.By means of Taylor distribution and Newton optimization algorithm, the amplitude and phase of radiation are optimized. The measured suppression ranges of the azimuth plane gain of -15 dB and -20 dB reach 28° and 77° respectively. When the antenna is installed on the aircraft, the suppression ranges of the azimuth plane gain of -15 dB and -20 dB reach above 114° and 55° respectively. Meanwhile,the array antenna with simple structure and low cost can meet the requirement of airborne environment.

automatic identification system(AIS);airborne antenna design;array antenna; monopole antenna; anti-interference performance

date:2017-04-21；Revised date：2017-06-16

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.017

蔣東，李欣.用于船舶自動識別系統(tǒng)的機載陣列天線設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2017,57(9):1077-1081.[JIANG Dong,LI Xin.Design of an airborne array antenna for automatic identification system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1077-1081.]

TN82

：A

：1001-893X(2017)09-1077-05

蔣東(1979—)，男，重慶人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為航空通信系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計;

Email:jiangemc@sina.com

李欣(1979—)，女，四川自貢人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航空電子產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量管理工作。

2017-04-21；

：2017-06-16

**通信作者：jiangemc@sina.com Corresponding author：jiangemc@sina.com