某型雷達(dá)對稱振子陣列天線的設(shè)計與仿真

郝延剛，陸 敏

（1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室 江蘇 南京 210003;2.海軍指揮學(xué)院浦口分院 江蘇 南京 211800）

某型雷達(dá)對稱振子陣列天線的設(shè)計與仿真

郝延剛1，陸 敏2

（1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室 江蘇 南京 210003;2.海軍指揮學(xué)院浦口分院 江蘇 南京 211800）

文中基于某型號雷達(dá)天線參數(shù)的設(shè)計指標(biāo)，采用陣列天線的經(jīng)典理論和泰勒綜合法設(shè)計出符合要求的1X28陣列天線。并且還對陣列天線的陣元選擇和設(shè)計，添加反射板和陣元間互耦等問題進(jìn)行了研究。通過電磁場仿真軟件HFSS進(jìn)行了仿真試驗，得出文中所設(shè)計的L波段對稱振子陣列天線符合設(shè)計要求的結(jié)論。

雷達(dá)；半波振子；陣列天線；HFSS；反射板；互耦

雷達(dá)通過天線分系統(tǒng)獲取目標(biāo)的信息，天線是用于輻射或接收電磁波的傳感器，是雷達(dá)的特殊組成部分[1]。本文采用使用同軸巴倫平衡變換器饋電的對稱振子天線作為輻射元，泰勒分布作為陣列天線的口徑分布，并且利用HFSS仿真軟件設(shè)計優(yōu)化出某型號雷達(dá)陣列天線。

1 陣列天線的設(shè)計

陣列天線的設(shè)計分為2個部分，首先根據(jù)設(shè)計指標(biāo)綜合出陣列的陣元個數(shù)、陣元間距以及激勵分布，然后選擇合適的陣元類型并且設(shè)計陣元，設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計指標(biāo)Tab.1 Design index

1.1 陣列孔徑分布綜合

工程上常用的陣列天線孔徑分布的綜合方法是切比雪夫綜合法和泰勒綜合法。本文選擇泰勒分布作為陣列天線的激勵分布。首先根據(jù)設(shè)計指標(biāo)中的陣列天線副瓣電平（SLL）為-25 dB，由陣列天線的半功率波瓣寬度的計算公式(1)

求得N=28，d=λ/2。

然后根據(jù)公式(2)[2]，可以求得28個陣元的歸一化電流。

根據(jù)順序排列的激勵幅度，可以寫出陣因子的表示式

式中μ=kd cosθ+α

由公式（3）可得到泰勒陣列歸一化方向圖，圖1為中心頻率下的陣列天線方向圖。從所得數(shù)據(jù)可以看出，副瓣電平和波瓣寬度符合設(shè)計要求。

圖1 方向圖（中心頻率）Fig.1 Radiation pattern（center frequency）

1.2 陣元的選擇

陣元作為陣列天線的主要構(gòu)成部件，它的主要功能是電磁波的發(fā)射和接收。通過上一節(jié)的介紹可知，陣元的種類繁多。但不是每一種形式的天線都適合作為陣元，只有根據(jù)所設(shè)計陣列天線的性能要求選擇的陣元類型才是最佳的。最基本的選擇標(biāo)準(zhǔn)有如下5點[3]：

1)所選擇天線的方向圖應(yīng)該在陣列天線的掃描范圍內(nèi)提供合適的孔徑匹配。

2)陣元的極化方式和功率要滿足設(shè)計要求。

3)選擇陣元時要結(jié)合所設(shè)計饋電絡(luò)的類型。例如，饋電網(wǎng)絡(luò)由微帶線組成，則陣元選擇微帶振子為最佳。如果饋電網(wǎng)絡(luò)是由波導(dǎo)組成，那么開口波導(dǎo)或在喇叭天線則是最佳的陣元選擇。

4)陣元的機(jī)構(gòu)必須牢固，能經(jīng)受得起熱、沖擊和震動等環(huán)境。

5)最后陣元的性價比要好，不僅要滿足以上的性能還要價格合理，減少設(shè)計成本。

根據(jù)以上的選擇方式，并且結(jié)合本次設(shè)計的陣列天線的特殊性，本文選擇對稱振子天線作為陣列天線的陣元。對稱振子天線是目前為止最經(jīng)典、使用最廣泛的天線之一，尤其是半波對稱振子天線。對稱振子天線不僅可以單獨使用，而且還可以作為陣列天線的輻射元，實現(xiàn)單獨對稱振子所不能實現(xiàn)的功能，并且提高了方向性和增益。

1.3 陣元的設(shè)計

對稱振子天線設(shè)計的主要任務(wù)就是傳輸線材料的選擇和實現(xiàn)平衡饋電。常用的作為陣元饋電傳輸線的材料有矩形波導(dǎo)、同軸線、帶狀線以及微帶線等。根據(jù)陣元的形式選擇不同的傳輸線。如果輻射元為微帶天線，那么最合適的饋線材料是微帶線。而對稱振子天線饋電部分常用同軸線作為饋線。綜上所述，本文所設(shè)計的陣元饋電方式就是利用同軸線實現(xiàn)平衡饋電。

為了實現(xiàn)對對稱振子的平衡饋電，必須在對稱振子和同軸線之間添加不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換器，即平衡器。常用的平衡器種類很多，如Bazook平衡器、折疊式平衡器、半波長平衡器、混合電橋環(huán)平衡器、裂縫管式平衡器以及漸變形平衡器等。平衡器的選擇可以根據(jù)振子的形式、結(jié)構(gòu)來決定。本文所設(shè)計對稱振子采用同軸巴倫平衡變換器。

饋電網(wǎng)絡(luò)常用50 Ω的同軸線作為其傳輸線，而陣列天線的輻射器則是約為73 Ω的對稱振子天線，這就使傳輸線和天線間產(chǎn)生了不匹配問題。本文所設(shè)計的同軸巴倫平衡變換器不僅有不平衡到平衡變換作用，同時也有阻抗變換作用。結(jié)構(gòu)如圖2所示。對稱振子左臂與同軸線外部導(dǎo)體相連接，即圖中的A點。對稱振子右臂與同軸線內(nèi)部導(dǎo)體和1/4波長直導(dǎo)線相連接，即圖中B點。1/4波長直導(dǎo)線下端用金屬環(huán)與同軸線的外壁相連接。從圖2中可以看出，從A點到達(dá)B點得距離為兩個1/4波長，即半波長。因此，電信號從B點傳到A點得路程長正好為1/2波長，相位正好相差180°。通過此過程就可以把同軸線的不平衡轉(zhuǎn)換成平衡。

圖2 同軸巴倫平衡變換器Fig.2 Coxial balance convertor

2 陣列天線系統(tǒng)的仿真

Ansoft公司出品的HFSS仿真軟件廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域。它具備仿真精度高，可靠性強，仿真速度快，穩(wěn)定成熟的特點，其自適應(yīng)網(wǎng)格畫分技術(shù)使HFSS成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。利用HFSS工具可以高效地設(shè)計各種高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻和微波部件、天線和天線陣，從而降低設(shè)計成本，減少設(shè)計周期，增強競爭力[4]。

2.1 對稱振子天線和陣列天線的仿真

如圖3所示為本文所設(shè)計的陣列天線的輻射元的整體仿真模型。模型的設(shè)計按照圖2所示的采用同軸巴倫平衡變換器的對稱振子，并且在對稱振子的背面添加反射板。

對稱振子兩臂間的距離也可以對天線的性能產(chǎn)生影響。本文利用HFSS仿真軟件的優(yōu)化功能，對對稱振子天線兩臂的間距d進(jìn)行參數(shù)掃描，得出不同間距值d的S11值。從仿真優(yōu)化結(jié)果求得最佳間距為0.24 mm[5]。

圖3 對稱振子天線HFSS仿真模型圖Fig.3 The simulation model of doublet antenna

如圖4和圖5所示為稱優(yōu)化后對振子天線方向圖和駐波比。

圖4 對稱振子天線仿真方向圖Fig.4 The simulation radiation pattern of doublet antenna

圖5 對稱振子天線仿真駐波比Fig.5 The simulation VSWR of doublet antenna

最后將所有對稱振子按照前文的設(shè)計結(jié)果排列成泰勒線陣，得到陣列天線的E面方向圖仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 陣列天線仿真方向圖（中心頻率）Fig.6 The simulation radiation pattern of array antenna（center frequency）

2.2 添加反射板與陣元間互耦問題的研究

為了使陣列天線的放射方向圖僅在正向（Z>0）有輻射，可以在陣列天線的后面采用安裝反射板的方式實現(xiàn)該要求，反射板可以是金屬的材料制作而成的。添加反射板之后，根據(jù)鏡像原理，計算陣列天線的方向圖時也要把陣列單元的鏡像考慮進(jìn)去。

圖7 反射板Fig.7 Baffle-board

如圖7所示，天線陣陣元與其鏡像陣元構(gòu)成一個二元線陣，間距為dz，根據(jù)陣列天線陣因子計算公式，可以得到二元線陣的陣因子為：

所以，陣列天線的陣元方向圖函數(shù)變成二元陣方向圖函數(shù)，而天線陣的方向圖函數(shù)即為：

式中，f0為半波振子方向圖函數(shù)，f為天線陣的陣因子。

當(dāng)兩個輻射單元之間產(chǎn)生互耦影響時，單元的阻抗和方向圖就會產(chǎn)生變化，從而影響整個陣列天線的性能[6]。之所以會產(chǎn)生互耦效應(yīng)，是因為輻射單元之間靠的很近。本文所設(shè)計的陣列天線單元間距小于一個波長，所以應(yīng)該考慮互耦對天線性能的影響。兩個天線間的互耦度C定義為消耗在接收天線匹配負(fù)載上的功率Pr與發(fā)射天線輸入功率Pt之比，即

式中S21表示接收天線到發(fā)射天線間的傳輸系數(shù)。因此，可以通過測量相鄰兩個個天線間的傳輸參數(shù)來研究天線陣的互耦問題。表2所示，即為通過仿真軟件測得各個相鄰陣元間的傳輸系數(shù)。

從仿真數(shù)據(jù)中可以看出，最小的傳輸系數(shù)為-37.02 dB，所以所設(shè)計天線陣滿足要求。

表2 相鄰陣元間傳輸系數(shù)（單位：dB）Tab.2 Transm ission coefficient

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的某型號雷達(dá)陣列天線采用25 dB泰勒分布作為陣列天線的激勵分布，并且選擇對稱振子作為陣列天線的陣元。使用同軸巴倫平衡變換器實現(xiàn)了對稱振子天線的平衡饋電，利用HFSS電磁場仿真軟件的優(yōu)化功能對對稱振子天線兩臂間距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，選擇了最佳的間隔距離。最后對在陣列天線上添加反射板和陣元間互耦兩個問題進(jìn)行了研究，并且利用仿真軟件證明本文所設(shè)計的陣列天線的互耦效應(yīng)符合設(shè)計要求。

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表1 性能對照表Tab.1 The comparison table of performance

4 結(jié)論

本文用VHDL語言在Xilinx Spartan6上實現(xiàn)了對PDCP的EEA/EIA加速處理，在ISE13.4下綜合，在Modelsim 10.1c下進(jìn)行仿真，得到了正確結(jié)果，各項指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求。系統(tǒng)對軟件能要求較高部分的代碼采用硬件實現(xiàn)方式，是未來軟硬件一體化設(shè)計的發(fā)展趨勢，特別是在高速通信設(shè)備領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：

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Design and sim ulation of a model radar doublet antenna array

HAO Yan-gang1,LU Min2
（1.Military Representative office of Radar System of the Chinese PLA Navy in Nanjing,Nanjing 210003，China；2.The Pukou Institute of Naval Command College,Nanjing 211800，China）

In this paper,the design index of a certain radar antenna parameter is the basis.It uses both classical theory of the array antenna and Taylor synthesis to design 1X28 array antenna that meets the requirements.In addition,the design and selection of array element of array antenna and issue of adding reflective plate as well as the mutual coupling of array element are discussed.Finally,through the simulation and verification of HFSS,an electromagnetic field simulation software,it is proved that the designed L-band symmetrical oscillator array antenna meets the design requirements.

radar;doublet antenna;array antenna;HFSS;baffle-board;cross coupling

TN820.1

A

1674－6236（2015）07-0098-04

2014-08-06 稿件編號：201408026

郝延剛(1987—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生。研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)。