基于相控電磁表面的W波段雷達系統(tǒng)研究

吳 優(yōu) 息榮艷 潘笑天 楊 帆 劉一民 黃天耀 許慎恒 李懋坤

(清華大學(xué)電子工程系 北京 100084)

1 引言

信息超材料是傳統(tǒng)超材料的數(shù)字化和信息化發(fā)展，涵蓋了數(shù)字編碼超材料、現(xiàn)場可編程超材料以及未來的軟件化超材料和可認知超材料，是物理學(xué)與信息科學(xué)的有機融合[1]。相對于傳統(tǒng)的機械驅(qū)動的焦平面陣列天線[2]或者相控陣天線[3]等具有空間波束掃描能力的毫米波雷達天線子系統(tǒng)，信息超材料在毫米波雷達天線子系統(tǒng)中的應(yīng)用與二者相比，分別具有實時調(diào)控、低成本等優(yōu)勢[4]。

相控電磁表面，是利用可重構(gòu)透射陣天線技術(shù)，在空間中設(shè)計基于印刷電路板工藝(Printed Circuit Board,PCB)的低成本透射陣天線單元陣列，并在其中融合可電調(diào)的器件和材料，從而實現(xiàn)一種對透射電磁波進行實時調(diào)相控制的信息超材料?；赑IN管的可重構(gòu)天線技術(shù)，與液晶、變?nèi)荻O管、微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)等可電調(diào)器件或材料相比，具有易加工、切換速度快、射頻損耗小等優(yōu)點，并且已經(jīng)在Ku及其以下波段得到了報道和驗證[5]。在W波段下，許多常用的可電調(diào)器件的電尺寸相對于工作波長來說過大，使其無法直接使用，因此在W波段將PIN管應(yīng)用到相控電磁表面設(shè)計，具有很高的挑戰(zhàn)性。

W波段的電磁波具有波長短、頻帶寬、穿透電離層能力強的特點，廣泛應(yīng)用于雷達、導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)、電子對抗等領(lǐng)域[6,7]。W波段雷達在民用和軍事方面有很多重要的應(yīng)用，在民用方面如天氣觀測[8]和機場監(jiān)測[9]中發(fā)揮著重要的作用，在軍事方面如目標(biāo)識別[10]、精確制導(dǎo)[11]和成像[12]等領(lǐng)域具有重要價值。因此搭建W波段雷達系統(tǒng)具有重要的意義。

本文提出了一種工作于W波段的相控電磁表面雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含相控電磁表面天線系統(tǒng)和雷達收發(fā)處理系統(tǒng)。在設(shè)定好相控電磁表面系統(tǒng)的波束方向后，雷達系統(tǒng)發(fā)射的電磁波被待測物體反射回來，經(jīng)過相控電磁表面系統(tǒng)的極化柵網(wǎng)，其中來自預(yù)先設(shè)定波束方向的一種線極化電磁波會被接收。該極化的電磁波會被相控電磁表面系統(tǒng)的單元進行極化轉(zhuǎn)換，變?yōu)樾碌恼粯O化的電磁波，以此進行雷達成像。相比于同頻段的相控陣天線，該天線在重量、體積、成本等方面具有明顯的優(yōu)勢。本文介紹了雷達系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵部件，以及相應(yīng)的加工測試結(jié)果。

2 相控電磁表面天線單元結(jié)構(gòu)與180°調(diào)相原理

此相控電磁表面天線單元由一個Y方向諧振器和一個X方向諧振器組成，是一種雙層180°調(diào)相透射相控電磁表面天線單元設(shè)計。第1層包含一個用于Y極化輸入波的矩形槽。當(dāng)有Y極化波入射時，天線單元耦合層上的矩形耦合槽可以將入射電磁波耦合到第2層的微帶諧振結(jié)構(gòu)上。調(diào)相原理如圖1所示。第2層的微帶諧振結(jié)構(gòu)由X方向的微帶線諧振器，Y方向的微帶線諧振器，兩個對稱放置的二極管，以及為二極管提供偏置電壓的微帶線構(gòu)成。當(dāng)對該單元加載相應(yīng)的正負偏置電壓時，兩個對稱放置的PIN管一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個處于截止?fàn)顟B(tài)。因此在兩種不同偏置電壓的工作狀態(tài)下，天線調(diào)相單元的調(diào)相層將形成對稱的L形諧振輻射結(jié)構(gòu)。此L型諧振結(jié)構(gòu)上將產(chǎn)生對稱的輻射電流，以及具有180°調(diào)相的X極化的輻射波。

單元使用的PIN管型號為MA4AGFCP910，切換速度為2～3 ns。

在CST仿真軟件中，軟件通常采用RLC串聯(lián)模型來描述PIN二極管的射頻阻抗特性。PIN二極管的RLC模型參數(shù)根據(jù)其數(shù)據(jù)表的參數(shù)設(shè)置為：Ron=4 Ω,Lon=10 pH;Roff=3 Ω,Loff=10 pH,Coff=18 fF。

此相控電磁表面天線單元采用電流翻轉(zhuǎn)式180°調(diào)相的設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單性能穩(wěn)定。入射電磁波設(shè)計為Y極化波入射。天線單元的工作模式根據(jù)PIN管兩種不同工作模式而定：對于天線單元的工作狀態(tài)1，如圖2(a)所示，左PIN管為截止?fàn)顟B(tài)，右PIN管為導(dǎo)通狀態(tài)。對于天線單元的工作狀態(tài)2，如圖2(b)所示，左PIN管為導(dǎo)通狀態(tài)，右PIN管為截止?fàn)顟B(tài)。在不同的天線單元的工作模式下，X方向上的電流方向完全翻轉(zhuǎn)，出射電磁波的相位將產(chǎn)生180°的調(diào)相效果。

圖1 相控電磁表面天線單元結(jié)構(gòu)及180°調(diào)相結(jié)構(gòu)Fig.1 Phased electromagnetic surface unit cell and 180° phase shift structure

圖2 不同狀態(tài)下天線單元的電流分布Fig.2 Current distribution of the unit cell in different states

雙層透射型固定相控電磁表面天線單元原理模型的仿真結(jié)果如圖3所示。

在92～100 GHz范圍內(nèi)，透射相控電磁表面天線單元的反射系數(shù)均小于–5 dB。在95 GHz時，Γ的最小值為–14.6 dB。仿真結(jié)果中出射波極化的旋轉(zhuǎn)角α表明輸出電磁波具有斜的線極化特性。仿真結(jié)果中旋轉(zhuǎn)角α在97 GHz時具有最大值44.25°。需要注意的是，對于天線單元的兩種不同狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)角α1,α2是反向的。這是由于其相對Y軸對稱分布位置上的間隙所導(dǎo)致的。天線單元的傳輸系數(shù)Txy在90～100 GHz頻段內(nèi)均高于–5 dB，最大值在95 GHz時為–2.56 dB。X極化分量在90～100 GHz的輸出電磁波的相移均為180°。這說明該天線單元可以實現(xiàn)較好的1比特相位調(diào)控。

相控電磁表面天線單元組成的相控電磁表面，通過對波束預(yù)出射方向的等相位面的相關(guān)計算，可以得出各個單元應(yīng)當(dāng)分配的相位(0°/180°)，配置相應(yīng)的偏置電壓，以此來實現(xiàn)波束掃描的功能。

3 相控電磁表面雷達系統(tǒng)

W波段相控電磁表面雷達系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示，主要包括上位機、數(shù)字板、電源模塊、射頻模塊、中頻處理模塊、收發(fā)倍頻鏈路模塊以及天線子系統(tǒng)。其中電源模塊用于向各模塊供電，射頻源模塊生成X波段線性調(diào)頻信號，收發(fā)倍頻鏈路模塊將射頻模塊產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號倍頻至W波段，天線子系統(tǒng)用于收發(fā)W波段電磁波信號，中頻模塊將接收倍頻鏈路模塊輸出的中頻信號進行濾波放大后輸出到數(shù)字板，數(shù)字板通過觸發(fā)信號控制射頻源信號產(chǎn)生并進行中頻信號采集，上位機一方面可以設(shè)置射頻源信號的參數(shù)，如脈沖寬度等，另一方面接收數(shù)字板采集的回波信號，并進行雷達信號處理。

相控電磁表面雷達系統(tǒng)的實物圖如圖5所示，發(fā)射天線位于機箱的上半部分，是一個線極化喇叭旋轉(zhuǎn)45°，以便同時發(fā)射水平極化和垂直極化的電磁波。相控電磁表面天線為一個T型布置的線陣，其中水平布置的線陣可以接收水平極化的電磁波，進行水平方向上的波束掃描；垂直布置的線陣可以接收垂直極化的電磁波，進行垂直方向上的波束掃描。

圖3 相控電磁表面天線單元原理模型的全波仿真結(jié)果Fig.3 Full wave simulation results of the phased electromagnetic surface principle model

圖4 相控電磁表面雷達系統(tǒng)Fig.4 Phased electromagnetic surface radar system diagram

圖5 相控電磁表面雷達系統(tǒng)實物圖Fig.5 The figure of the phased electromagnetic surface radar system

W波段相控電磁表面天線子系統(tǒng)如圖6所示。這種相控電磁表面天線系統(tǒng)包含饋源、透射型相控電磁表面天線、極化柵網(wǎng)3個部分。饋源是由矩形喇叭加裝平行板組成，以提升陣列的溢漏效率，目的是保證天線系統(tǒng)的增益，如圖6(a)所示。通過直接全波仿真饋源模型，可以得到電磁表面天線入射電場的幅度相位。透射型相控電磁表面天線是一種陣列天線，如圖6(b)所示，其中陣列單元是一種基于PIN管的可重構(gòu)透射陣天線單元[13]。這種單元包含一個調(diào)相結(jié)構(gòu)，入射電磁波耦合到微帶諧振結(jié)構(gòu)上，會產(chǎn)出新的正交極化的分量透過天線。如圖6(c)所示，極化柵網(wǎng)的作用是抑制入射電磁波中能引起單元諧振的正交極化分量的能量，并且增強能引起單元諧振的極化分量。W波段相控電磁表面天線的控制系統(tǒng)，如圖6(d)所示。電腦通過USB數(shù)據(jù)傳輸線將賦值數(shù)據(jù)導(dǎo)入FPGA控制板，轉(zhuǎn)化為高低電平信號分配到可重構(gòu)透射陣天線單元的PIN管上，在不同的位置分布不同的相位。經(jīng)過陣列理論的計算，可以控制相位分布，形成具有空間指向性的波束。

值得一提的是，這種W波段可重構(gòu)透射陣天線單元僅包含一個雙層的介質(zhì)板結(jié)構(gòu)設(shè)計以及一個單層的極化柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工難度低，對機械定位精度要求比較低。因此，這是一種對加工精度容差較大的W波段可重構(gòu)透射陣天線。

4 測試結(jié)果與分析

本節(jié)介紹了W波段相控電磁表面雷達系統(tǒng)的有效性。為了說明相控電磁表面天線子系統(tǒng)的波束掃描功能，首先給出了相控電磁表面的天線測試結(jié)果；為了驗證雷達系統(tǒng)可以有效地接收目標(biāo)回波，本文將相控電磁表面天線作為雷達接收天線，采集目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)進行分析處理；更進一步，本文通過控制相控電磁表面天線的波束指向，收集固定位置的回波數(shù)據(jù)進行分析處理以確定目標(biāo)的方位角。4.1節(jié)介紹相控電磁表面天線經(jīng)過天線測試獲取的波束掃描性能，4.2節(jié)介紹雷達目標(biāo)的距離測試，4.3節(jié)介紹雷達目標(biāo)的方位角測試，4.4節(jié)介紹雷達系統(tǒng)的分辨力分析。

4.1 相控電磁表面天線的天線測試

本部分展示了相控電磁表面天線的天線測試的現(xiàn)場圖，如圖7所示。對近場測試得到的數(shù)據(jù)進行近遠場變換和定標(biāo)測試，可以得到相控電磁表面天線的波束方向圖。方向圖的波束掃描如圖8所示，掃描范圍覆蓋±20°，波束寬度為4.3°，0°出射波束增益約為5 dB。圖中的波束掃描在±20°處不對稱，是因為負角度上的測試背景不對稱，如該側(cè)的儀器和墻壁對電磁波的散射等。如何提升天線的口面效率，降低單元損耗以提升相控電磁表面的增益，將是進一步提升性能的重點。

圖6 相控電磁表面天線子系統(tǒng)Fig.6 The phased electromagnetic surface antenna subsystem

圖7 相控電磁表面天線的天線測試現(xiàn)場圖Fig.7 The phased electromagnetic surfaceantenna measurement site

4.2 雷達目標(biāo)的距離測試

本部分僅展示其中一個初步的測試結(jié)果，采用單通道的數(shù)據(jù)。首先搭建相控電磁表面雷達系統(tǒng)，將金屬小棍放置在接收天線正前方7.25 m處，如圖9所示，采集雷達的回波數(shù)據(jù)并進行處理，得到如圖10所示的目標(biāo)距離像，從圖10中可以明顯看出，通過相控電磁表面天線子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接收，可以得到有效的雷達回波，并獲得了散射點目標(biāo)的一維距離像，與實際情況相符。

開發(fā)本區(qū)地質(zhì)遺跡的前提，是做好地質(zhì)資源的保護工作.由于本地區(qū)的巖石是許多建筑材料的重要原料，以前開采較為嚴重，許多很有價值的地層段受到很大破壞.近年來，雖然大規(guī)模的巖石開采受到限制，但滿足農(nóng)村家庭建房所需的小規(guī)模開采還很普遍.如在郝家房村西采石場臨時房屋北側(cè)的石炭系地層，是化石蘊含很豐富地段，2005年化石出露還很普遍，但由于不斷有各種機構(gòu)相繼來此采掘化石，致使一些較為完整的化石在此處已很難尋覓.對此，政府部門應(yīng)首先將本地區(qū)作為地質(zhì)遺跡保護地保護起來，明令禁止各種形式的巖石開采；二是進行宣傳，做好臨近村民的教育工作；三是加強管理，加大對盜采的處罰力度.

4.3 雷達目標(biāo)的方位角測試

圖8 相控電磁表面天線波束掃描性能Fig.8 The phased electromagnetic surface antenna beam scanning performance

本節(jié)在上一步的基礎(chǔ)上進一步實驗，通過天線控制系統(tǒng)控制天線的波束指向，采集波束指向為θmin:?θ:θmax=?2.8?:0.4?:6.0?的雷達回波數(shù)據(jù)并進行處理，得到如圖11所示不同波束指向下的散射點強度，以確定目標(biāo)的方位角。從圖11看出，通過相控電磁表面天線控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接收，可以得到不同強度的散射點回波，從而確定目標(biāo)的方位角。從測試結(jié)果可以得到該目標(biāo)的方位角為1.5°，與實驗設(shè)置相符。該實驗不僅證明了波束控制的有效性，而且驗證了系統(tǒng)對于確定目標(biāo)方位角的有效性。

圖9 相控電磁表面雷達系統(tǒng)測試現(xiàn)場圖Fig.9 The phased electromagnetic surface radar system test site

圖10 金屬小棍一維距離像Fig.10 The one-dimensional range profile of a metal stick

圖11 不同波束指向下的散射點強度Fig.11 The intensity of the scatterer under different beam directions

4.4 雷達系統(tǒng)的分辨力分析

本文提出的雷達系統(tǒng)帶寬B為4 GHz，相控電磁表面天線尺寸D為0.05 m，理論上，距離分辨力表示為?R=c/(2B)=0.0375 m，其中c表示光速，與實際測量的距離分辨力4.85 cm比較接近；角度分辨力表示為?θ=0.89λ/D ≈3.26?，其中λ表示發(fā)射信號波長，實際測量的相控電磁表面天線3 dB波束寬度(方位分辨力)為4.3°，說明實際系統(tǒng)的方位分辨力略差于理論計算的方位分辨力。

5 結(jié)論

本文提出了一種可工作于W波段相控電磁表面雷達系統(tǒng)。利用可重構(gòu)透射陣天線技術(shù)設(shè)計了W波段基于PIN管的可重構(gòu)透射陣天線，實現(xiàn)了一種對透射電磁波進行實時調(diào)相控制的信息超材料。相控電磁表面天線系統(tǒng)作為雷達系統(tǒng)的天線子系統(tǒng)，實現(xiàn)了空間波束掃描，完成了天線測量、目標(biāo)距離像測量和目標(biāo)方位角的測量，驗證了其有效性。此種W波段相控電磁表面天線具有易加工、成本低、控制速度快等優(yōu)點，是W波段雷達系統(tǒng)的一種可選方案，具有很高的應(yīng)用價值。為后續(xù)研究精確制導(dǎo)、目標(biāo)識別、成像等應(yīng)用提供了硬件平臺。