用于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的寬帶高增益天線陣設(shè)計(jì)

傅世強(qiáng), 張佳琦, 李 超, 陳韋寧, 房少軍

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展,雷達(dá)系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在各種雷達(dá)系統(tǒng)中,調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulation continuous wave, FMCW)雷達(dá)由于其對(duì)發(fā)射功率峰值要求較低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被大量應(yīng)用在測(cè)距測(cè)速、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]。而在FMCW雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中,為使檢測(cè)目標(biāo)物體時(shí)測(cè)距精度更高,同時(shí)減小收發(fā)互耦影響以增大隔離,對(duì)射頻前端系統(tǒng)中的天線有更高性能的要求,例如頻帶寬、波束窄和增益高[2]。

在各種類型天線中,對(duì)數(shù)周期天線頻帶較寬但是增益中等,而八木天線單元數(shù)越多增益越高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,頻帶較窄[3]。采用單元組陣的方式來(lái)提高天線增益是常見(jiàn)的方法,但單元天線的帶寬往往限制了天線陣的整體帶寬[4]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種超寬帶單極子天線,但結(jié)構(gòu)不易于組陣,限制了其作為陣元的選擇;而印刷偶極子天線及其變形結(jié)構(gòu)具有頻帶寬、增益高,易于組陣的特點(diǎn),得到了廣泛的研究[6-8]。在印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[9]通過(guò)引入背腔和文獻(xiàn)[10]通過(guò)引入寄生引向貼片,進(jìn)一步提高了單元天線的增益。文獻(xiàn)[11]給出了一種近似橢圓結(jié)構(gòu)的超寬帶偶極子天線,在很寬的工作頻帶內(nèi)具有良好的阻抗特性和輻射特性。文獻(xiàn)[12]則基于橢圓形印刷偶極子為單元組成陣列天線,設(shè)計(jì)了32元天線陣,但由于采用等功分饋電網(wǎng)絡(luò),副瓣電平較高,并且在頻率較高處方向性畸變嚴(yán)重。

本文設(shè)計(jì)了一種蝶形印刷偶極子天線單元,采用寬偶極子漸變結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬工作帶寬,并且利用16個(gè)單元天線組成陣列,提高增益;通過(guò)不等功分和寬帶多節(jié)匹配平行帶線饋電網(wǎng)絡(luò)在陣元間進(jìn)行連接,降低副瓣電平,提高天線陣主瓣性能并展寬天線工作帶寬;通過(guò)在天線下方放置一塊金屬反射板實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射,可以增大前后比;經(jīng)寬帶匹配微帶漸近巴倫結(jié)構(gòu)變換到50Ω同軸端口,改善不平衡饋電的問(wèn)題。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 單元天線設(shè)計(jì)

為節(jié)省成本,設(shè)計(jì)的蝶形印刷偶極子單元天線蝕刻在相對(duì)介電常數(shù)4.4,厚度0.8 mm的FR4介質(zhì)基板上,如圖1所示。圖中黑色區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)基板正面貼片,白色區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)基板背面貼片。W1與W2為貼片寬度,其尺寸大小影響天線的輸入阻抗特性,在一定范圍內(nèi),越寬其輸入阻抗的實(shí)部和虛部曲線波動(dòng)越小,合適的寬度可有效展寬天線的帶寬。L為貼片的橫向臂長(zhǎng),它的長(zhǎng)度主要影響偶極子中心頻率和方向性。s為兩貼片之間的距離,w是平行帶線饋線寬度,l則為饋線長(zhǎng)度。為實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射,在距離介質(zhì)基板底部H處放置一塊金屬反射板,理論上H為中心頻率的四分之一波長(zhǎng),并根據(jù)實(shí)際仿真優(yōu)化做出調(diào)整。

圖1 單元天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the antenna element

根據(jù)理論計(jì)算出單元天線尺寸初值,利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中首先調(diào)整橫向臂長(zhǎng)L,觀察輸入阻抗曲線得到天線大致的工作頻率范圍;然后改變W1和W2,使天線的阻抗曲線虛實(shí)部變得更平坦,以增加工作帶寬;最后觀察偶極子天線表面電流,微調(diào)s以便得到較寬頻率范圍內(nèi)較好的輻射方向性圖。

圖2 單元天線輸入阻抗隨頻率變化曲線Fig.2 Antenna element input-impedance curve versus frequency

圖3 單元天線輻射方向性圖仿真結(jié)果Fig.3 Simulated result of the antenna element radiation pattern

最終得到尺寸參數(shù)為W1=16 mm,W2=23 mm,L=10 mm,s=2.3 mm,w=1 mm,l=4 mm,H=15 mm。優(yōu)化后該單元天線的輸入阻抗曲線仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知,在4～7 GHz頻率范圍內(nèi)天線輸入阻抗實(shí)部在100 Ω上下浮動(dòng),而虛部則在0 Ω附近波動(dòng),天線可與100 Ω饋電端口達(dá)到較好的匹配。圖3為單元天線分別在4 GHz、5.5 GHz、7 GHz處,E面和H面輻射方向性圖。由圖可知,單元天線的最大輻射方向與天線所在平面垂直,增益最大值達(dá)8.9 dB,最小值為7.9 dB。同時(shí)可看出,當(dāng)天線工作在7 GHz時(shí),最大輻射方向逐漸由0°向兩側(cè)偏移,方向性圖開(kāi)始發(fā)生畸變。

1.2 天線陣設(shè)計(jì)

將上述單元天線作為陣元,組成16元印刷偶極子天線陣,陣元間通過(guò)T型平行帶線功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。為使天線陣依然保持單元天線寬頻帶的特性并提高天線陣的整體性能,功分網(wǎng)絡(luò)采用多節(jié)阻抗匹配和不等功分設(shè)計(jì)。通過(guò)微帶漸近巴倫結(jié)構(gòu)連接到50 Ω同軸饋電端口,最后由固定圓柱螺絲連接介質(zhì)板和金屬反射板,組成天線陣的整體結(jié)構(gòu),如圖4所示。x和y為陣元分別與兩個(gè)垂直方向上相鄰陣元的陣間距。陣間距的大小主要影響天線陣的方向性和增益,陣元間距過(guò)小,陣元之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的互耦效應(yīng),對(duì)阻抗特性影響較大,而間距過(guò)大,又會(huì)有柵瓣產(chǎn)生,減小增益帶寬,在綜合考慮阻抗特性,方向性和增益帶寬的情況下,優(yōu)化得到陣元間距x=y=39 mm。

圖4 天線陣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of the antenna array

根據(jù)單元天線的阻抗特性設(shè)計(jì)T型平行帶線形式的功分網(wǎng)絡(luò),使各陣元在4～7 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率分配。相對(duì)于等功分饋電而言,不等功分饋電可以抑制副瓣[13]。而二項(xiàng)式分布饋電功率分配比1∶3∶3∶1對(duì)抑制副瓣可達(dá)到最好的效果,但由于阻抗比過(guò)大,線寬過(guò)細(xì),不易實(shí)現(xiàn)。為使該4×4天線陣列獲得更好的方向性并考慮到工程易于實(shí)現(xiàn),對(duì)其采用功率分配比為1∶2∶2∶1進(jìn)行饋電。由于天線陣中心能量較強(qiáng),中心的單元天線間互耦影響較為嚴(yán)重。為此在功分網(wǎng)絡(luò)最后一節(jié)阻抗匹配采用三節(jié)切比雪夫阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn),可以在較寬的頻帶上獲得理想的阻抗匹配特性[14]。由于所設(shè)計(jì)的饋線是平衡結(jié)構(gòu),直接用同軸饋電連接,其性能會(huì)受到非平衡饋線的影響。因此使用寬帶微帶漸變巴倫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不平衡信號(hào)到平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換。與采用同軸接頭側(cè)饋巴倫轉(zhuǎn)換方式[12]相比,本文采用同軸底饋巴倫轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),更加緊湊。通過(guò)調(diào)節(jié)漸變微帶的長(zhǎng)度和寬度,可在很寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配。

2 天線仿真與實(shí)測(cè)

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線陣進(jìn)行了大量的仿真分析,由于天線陣陣元互耦的影響,改變了功分網(wǎng)絡(luò)終端的阻抗,為此對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)中三節(jié)切比雪夫阻抗變換器尺寸進(jìn)行了優(yōu)化微調(diào),使天線陣與功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匹配對(duì)接。根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)果加工了天線實(shí)物,如圖5所示。

圖5 天線陣實(shí)物Fig.5 Fabricated antenna array

使用Agilent N5230A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了天線的S參數(shù)。圖6給出了天線陣仿真和實(shí)測(cè)S參數(shù)對(duì)比曲線,從圖中可看出在3.8～6.6 GHz頻段內(nèi),其實(shí)測(cè)回波損耗大于10 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到54%。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。

伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家魏巍正使用GEVIs研究不同的電輸入信號(hào)是如何在小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)元內(nèi)被整合的。魏巍的研究興趣涉及一類能夠?qū)σ欢ǚ较蜻\(yùn)動(dòng)的視覺(jué)刺激產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)的神經(jīng)元。通過(guò)觀測(cè)這些神經(jīng)元不同部位膜電位的變化，她希望可以理解細(xì)胞如何處理輸入信號(hào)，以探測(cè)刺激的運(yùn)動(dòng)方向。

圖6 天線陣仿真與測(cè)試回波損耗結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the simulated and measured return loss of the antenna array

在微波暗室中測(cè)試該天線陣的方向性和增益。其中,4.5 GHz、5.5 GHz、6.5 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)的方向性參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。圖7為天線在頻率5.5 GHz處E面和H面的輻射方向性圖,可以看出方向性圖的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。實(shí)測(cè)的天線陣增益隨頻率變化曲線如圖8所示,在4～7 GHz內(nèi)天線陣的增益在15 dB以上,最高增益達(dá)17 dB。

表1 天線在不同頻點(diǎn)處的方向性參數(shù)

圖7 5.5 GHz輻射方向性圖Fig.7 5.5 GHz radiation pattern

圖8 天線陣實(shí)測(cè)增益曲線Fig.8 Measured gain of the antenna array

3 結(jié) 論

本文提出了一種不等功分饋電的16單元蝶形印刷偶極子天線陣,該天線陣具有頻帶寬增益高的特性。使用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化出的結(jié)果尺寸制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該天線在3.8～6.6 GHz內(nèi)回波損耗大于10 dB,相對(duì)帶寬為54%。在該頻率范圍內(nèi),天線具有良好的方向性,天線的增益在15 dB以上,最高增益達(dá)17 dB。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果有著良好的一致性。該天線成本低、易于加工和批量生產(chǎn),目前已成功應(yīng)用于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)工程中。