邢春超, 段 敏
(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)
隨著全國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),橋梁運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)日趨重要,其中橋梁結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容之一,傳統(tǒng)的連通管法、加速度儀、應(yīng)變儀等監(jiān)測(cè)手段[1-3],很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4-5],而微形變雷達(dá)技術(shù)具有遠(yuǎn)距離測(cè)量、高精度、數(shù)據(jù)采集方便、全天候持續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì),很好地彌補(bǔ)了常用橋梁變位監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足。
微形變雷達(dá)的工作原理是通過(guò)觀測(cè)計(jì)算目標(biāo)對(duì)電磁波相位的影響實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距,其天線一般采用饋電式微帶線陣天線。其中微帶天線的饋電分為串聯(lián)饋電與并聯(lián)饋電,2種饋電方式中串聯(lián)饋電的饋線較短,可減小饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗,提高天線工作效率,且各個(gè)輻射單元間排列較為緊密,減小了天線體積,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的小型化。微帶天線具有平面結(jié)構(gòu)易于加工和饋電、易于與電路集成、生產(chǎn)成本低、輻射效率高等優(yōu)點(diǎn),采用微帶天線有助于產(chǎn)品小型化、集成化。為此,本文針對(duì)毫米波頻段微形變雷達(dá)的串饋式微帶線陣天線展開研究。
微帶天線通常由一個(gè)薄介質(zhì)基板構(gòu)成,其中一面附著金屬導(dǎo)體作為接底板,另一面附著金屬貼片。微帶天線的分析方法為等效分析法,它又分為等效磁流法和電流分析法,本文采用電流分析法對(duì)微帶線陣天線的單個(gè)陣元進(jìn)行理論分析與設(shè)計(jì)。
最常見的矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中性能參數(shù)包括貼片的長(zhǎng)度L、寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr及其損耗角正切。微帶天線周圍為均勻介質(zhì)時(shí),天線電磁波傳播模式是 TEM 模,實(shí)際應(yīng)用中微帶天線的一側(cè)為介質(zhì)基板,另一側(cè)為空氣,天線電磁波在不均勻介質(zhì)中傳播,電磁波傳播模式為準(zhǔn)TEM模[6-8]。
圖1 微帶天線陣元
在毫米波頻段,較厚的電路基板易激勵(lì)引起較嚴(yán)重的表面波雜波,較薄的電路基板可有效改善基板表面波的影響,同時(shí)較薄的基板能有效減小線路的尺寸,縮減整個(gè)天線陣列的體積,為此本文采用羅杰斯公司的RO4835 LOPRO電路介質(zhì)基板,板材厚度僅為0.101 6 mm, 介電常數(shù)為3.66,損耗角正切為0.003 7。
微帶天線陣元的貼片結(jié)構(gòu)尺寸由式(1)計(jì)算得到:
(1)
式中:εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù);h為基板厚度,mm;f為工作頻帶的中心頻率,GHz;c為真空中的光速,m/s;w為微帶天線陣元的寬度,mm;L為微帶天線陣元的長(zhǎng)度,mm;ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)度,mm;εe為有效介電常數(shù)。
介質(zhì)基板選擇RO4835,εr=3.66,h=0.101 6 mm,本文所研究的微帶天線工作在76 GHz~81 GHz頻段,取中心頻率f=78.5 GHz,c=3×108m/s,由式(1)計(jì)算可得微帶天線陣元結(jié)構(gòu)尺寸,寬W=1.251 8 mm,長(zhǎng)L=0.954 1 mm。為獲得更好的微帶天線陣元S11參數(shù),采用Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)陣元結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度,以及四分之一波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)度和寬度在理論值附近進(jìn)行優(yōu)化,如圖2(a)所示;優(yōu)化后陣元結(jié)構(gòu)的寬度W=1.25 mm,長(zhǎng)度L=0.93 mm,優(yōu)化后的陣元天線輸入端口反射參數(shù)S11如圖2(b)所示。
(a) HFSS仿真模型
(b) 端口S11參數(shù)
(c) 天線輻射三維圖
(d) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面
單個(gè)矩陣微帶天線的三維輻射方向圖如圖2(c)所示。由圖2(c)可知,單個(gè)矩陣微帶天線的增益較小,僅為5.9 dB;圖中的Theta和Phi為對(duì)應(yīng)球坐標(biāo)系的參數(shù)。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖2(d)所示。由圖2(d)可知,XZ截面(即電場(chǎng)E面)半功率波束寬度為80°,YZ截面(即磁場(chǎng)H面)半功率波束寬度為105°。由圖2(c)、(d)可知,單個(gè)矩陣微帶天線的陣元天線輻射效率較低,為獲得更好輻射性能參數(shù)的微帶天線,需進(jìn)一步改善天線的設(shè)計(jì),微帶線陣天線就是一種改善性能參數(shù)的天線設(shè)計(jì)形式。
微帶線陣天線是由多個(gè)完全相同的貼片天線陣元組成的離散陣列天線,根據(jù)陣元分布的不同可分為線陣天線和面陣天線,根據(jù)各陣元激勵(lì)振幅是否相等分為等幅陣列和不等幅陣列,饋電方式分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電,本文研究等幅和不等幅串聯(lián)饋電線陣天線。
采用Ansoft HFSS仿真模型建立的等幅串聯(lián)饋電線陣天線由16個(gè)陣元組成,如圖3(a)所示,陣元間距為一個(gè)波長(zhǎng),陣元的結(jié)構(gòu)尺寸在前文已計(jì)算,通過(guò)優(yōu)化陣元間距及陣元間距的寬度可改善天線的增益及副瓣電平[9-10]。當(dāng)中心頻率f為78.5 GHz時(shí),對(duì)線陣天線仿真優(yōu)化,此時(shí)天線陣的增益為15.7 dB,副瓣電平為6 dB。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖3(b)、(c)所示。由圖3(b)、(c)可知,XZ截面(即電場(chǎng)E面)半功率波束寬度為9°,YZ截面(即磁場(chǎng)H面)半功率波束寬度為70°。
(c) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面
優(yōu)化結(jié)果的增益及半功率波束電場(chǎng)寬度參數(shù)可滿足微形變雷達(dá)的應(yīng)用要求,但副瓣電平較高[11],不能滿足微形變雷達(dá)的要求。為降低副瓣電平,采用不等幅陣元的分布方式(道爾夫-切比雪夫分布)來(lái)實(shí)現(xiàn),但這可能會(huì)犧牲線陣的主瓣寬度。
道爾夫-切比雪夫分布的各個(gè)陣元,需計(jì)算各個(gè)陣元結(jié)構(gòu)尺寸的最優(yōu)分布比例系數(shù);天線陣列的陣元為偶數(shù)ne,陣元間距為d,中心對(duì)稱的各個(gè)陣元的激勵(lì)振幅在與天線法線夾角為θ方向產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為[12-15]:
(2)
(a) 仿真模型
(b) 天線輻射三維圖
為確保天線陣列各個(gè)陣元的波束相位相同,陣元間距為一個(gè)波長(zhǎng),輻射場(chǎng)在天線的法線方向。
切比雪夫多項(xiàng)式的一般表達(dá)式為:
Tm(x)=cos(marccosx)
(3)
式中:m=1,2,3,…,-1≤x≤1。
表達(dá)式滿足遞推公式:
Tm+1(x)=2xTm(x)-Tm-1(x)
(4)
對(duì)于由n個(gè)微帶陣元組成的天線陣,令其天線輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)分布與相應(yīng)的n-1次切比雪夫多項(xiàng)式相等,根據(jù)同冪次項(xiàng)的系數(shù)對(duì)應(yīng)相等,即可求出微帶線陣中各個(gè)陣元的激勵(lì)幅度分布。副瓣電平由公式(5)計(jì)算獲得:
(5)
(6)
式中:R0為副瓣電平,dB;N為天線陣列中心一側(cè)的陣元數(shù)目。
本文設(shè)計(jì)的微帶線陣天線陣元數(shù)目為16,線陣的副瓣電平為-15 dB,由式(2)~(6)計(jì)算可得線陣中各陣元輻射功率比(從中心到外側(cè)),如表1所示,中心的陣元寬度前文已計(jì)算為W=1.25 mm,依據(jù)表1的比例系數(shù)計(jì)算其余陣元的寬度。
表1 微帶線陣天線陣元寬度比例分布
由不同寬度的陣元組成線陣天線,建立Ansoft HFSS仿真模型,如圖4(a)所示。
基于陣元道爾夫-切比雪夫分布的微帶天線陣列Ansoft HFSS仿真結(jié)果,微帶天線陣列的增益為14.8 dB,副瓣電平為-14 dB。天線輻射圖在XZ和YZ平面上的截面如圖4(b)、(c)所示。由圖4(b)、(c)可知,XZ截面(即電場(chǎng)E面)半功率波束寬度為10°,YZ截面(即磁場(chǎng)H面)半功率波束寬度為70°。在同等數(shù)量的陣元情況下,道爾夫-切比雪夫分布的不等幅陣元分布較于等幅分布的天線陣列,增益僅損失1 dB,但副瓣電平得到了較好的抑制,二者相差近20 dB,天線的主瓣寬度基本一致。
(a) HFSS仿真模型
(b) 天線輻射三維圖
(c) 天線輻射圖XZ截面與YZ截面
上述3種天線的技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表2所示。由表2可知,16陣元按照道爾夫-切比雪夫分布可獲得較高的增益、較低的副瓣電平以及較窄的波束寬度。
表2 3種天線類型的技術(shù)參數(shù)對(duì)比
本文設(shè)計(jì)了一種中心頻率為78.5 GHz的串聯(lián)饋電的毫米波微帶線陣天線,并進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)仿真,通過(guò)對(duì)比分析等幅與不等幅陣元分布,得出如下結(jié)論:
1) 16個(gè)天線陣元等幅分布時(shí),可大幅度提高天線的增益,相比單陣元,增益由5.9 dB提高到15.7 dB,但副瓣電平較高為6 dB,天線輻射波束分散,降低了天線性能。
2) 16個(gè)天線陣元不等幅按照道爾夫-切比雪夫分布時(shí),相比單陣元,增益由5.9 dB提高到14.8 dB,且副瓣電平較低,為-14 dB,提高了天線輻射效率。
綜上所述,采用微帶天線多陣元道爾夫-切比雪夫式分布是提高天線輻射性能的有效方法,這種設(shè)計(jì)利于產(chǎn)品小型化及集成化,為微形變雷達(dá)的微帶天線設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較好的實(shí)現(xiàn)途徑。