一種用于FOD 檢測(cè)系統(tǒng)的V 波段波導(dǎo)縫隙陣列天線

李 炎，任 沖，尹琰鑫

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

跑道異物(Foreign Object Debris，F(xiàn)OD)是指出現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)跑道上對(duì)航空器或系統(tǒng)可能造成損害的各種外來物質(zhì)[1]。典型的FOD 目標(biāo)有：混凝土瀝青碎塊、各類金屬器件、塑料制品、橡膠碎片、動(dòng)植物等[2]。跑道上的異物對(duì)于飛機(jī)等航空器的起飛和降落有極大的安全隱患[3]。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)方法是人工巡視方法，此方法完全依賴人力，存在檢測(cè)效率低下及容易漏檢等問題[4]。因此FOD 檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是一種能夠自動(dòng)探測(cè)、定位和上報(bào)FOD 信息的機(jī)場(chǎng)常設(shè)設(shè)施[5-7]。到目前為止，世界上主要的機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)有4 個(gè)，分別是Tarsier 系統(tǒng)（英國）、FODFinder 系統(tǒng)（美國）、FODetect 系統(tǒng)（以色列）和IFerret 系統(tǒng)（新加坡）[8]，一些大型機(jī)場(chǎng)跑道已經(jīng)開始嘗試異物自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上述4 個(gè)已經(jīng)投入使用FOD 異物檢測(cè)系統(tǒng)功能有一定差異，性能各不相同，但雷達(dá)工作的頻率都是70～100 GHz 之間[9]。毫米波雷達(dá)由于其具有波束窄、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),非常適合近距離對(duì)微小目標(biāo)的探測(cè)[10],因此對(duì)V 波段以及更高頻段毫米波天線的研究尤為重要。

V 波段以及更高頻段毫米波天線由于頻率高、波長短、單元數(shù)多，對(duì)加工精度有很高的要求，現(xiàn)在很多都是采用微帶天線形式，微帶天線剖面低、成本低，但是由于頻率高、單元數(shù)目多，微帶電路的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗很大，對(duì)微帶天線一般口面越大輻射效率越低,天線增益大于30 dB 時(shí)微帶天線的效率只有20%～30%[11]。反射面天線可以具有很低的副瓣和很高的輻射效率[12]，但剖面尺寸過高不便于結(jié)構(gòu)安裝。傳統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙陣天線通過縫偏和縫長來控制幅度相位，在這個(gè)頻段對(duì)加工精度要求非常高，由于機(jī)加精度達(dá)不到要求，導(dǎo)致性能較差。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于V 波段以及更高頻段FOD 檢測(cè)系統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙陣列天線，天線采用多模波導(dǎo)縫隙陣列天線形式，并設(shè)計(jì)了波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)，整體結(jié)構(gòu)緊湊，厚度在10 mm 以內(nèi)，輻射效率在在50%以上，具有高增益低剖面的優(yōu)良特點(diǎn)；天線加工容錯(cuò)率比較高，對(duì)機(jī)加精度要求不高，加工了實(shí)物并進(jìn)行了駐波和方向圖測(cè)試，與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線初步參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)增益要求36 dB 以上，俯仰面半功率波束寬度4.5°±10%，方位面半功率波束寬度0.5°±10%的指標(biāo)要求，根據(jù)公式θ=51×λ/n×d，選擇合適的單元間距，最終確認(rèn)陣面為大小450 mm×50 mm 的長方形，整個(gè)陣面縫隙數(shù)為128×16，方位面縫隙數(shù)為128，俯仰面縫隙數(shù)為16。

1.2 天線單元設(shè)計(jì)

圖1 所示為單端短路的矩形波導(dǎo)段。L1 段的波導(dǎo)截面長為a，寬為b，在其工作頻帶內(nèi)，只傳輸主模TE10模。L2 段的波導(dǎo)截面長為A，寬為B，在其工作頻帶內(nèi)可傳輸多種工作模式，稱為多模波導(dǎo)。根據(jù)波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)的耦合過程可知，多模波導(dǎo)中只能存在和模式，即TEmn ?；騎Mmn 模[13]。如圖1 所示，根據(jù)理想導(dǎo)體表面上的邊界條件以及單端短路的波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)分布可知，多模波導(dǎo)短路面內(nèi)表面只存在H分量，其函數(shù)表達(dá)式為：

式中，K是一個(gè)常數(shù)，取決于工作頻率、激勵(lì)幅度、波導(dǎo)模式及波導(dǎo)截面大小。多模波導(dǎo)短路面內(nèi)表面的表面電流密度定義如下：

從短路表面的電流分布可以看出，采用靠近側(cè)壁的開縫形式可以獲得最高的輻射效率，如圖2 所示，并且可以保證4 個(gè)縫隙的激勵(lì)等幅同相。

圖2 多模波導(dǎo)短路面上的縫隙分布

從圖2 所示的多模波導(dǎo)各縫隙的位置可以看出,多模波導(dǎo)的截面尺寸由縫隙間距以及縫隙參數(shù)二者共同決定。即：

式中，dx和dy分別為相鄰縫隙在x和y方向上的間距，為了避免在輻射方向圖上出現(xiàn)柵瓣，dx和dy應(yīng)小于λmin,λmin為工作頻段內(nèi)高頻截止頻率所對(duì)應(yīng)的自由空間波長。lslot和wslot分別為縫隙長度和縫隙寬度，其大小約為λmax的1/2 和1/10，λmax為工作頻段內(nèi)低頻截止頻率所對(duì)應(yīng)的自由空間波長[14]。

從單個(gè)縫隙的輻射特性可知，沿x方向相鄰縫隙間的互耦非常小，如slot1 和slot2 之間以及slot3 和slot4 之間；而沿y方向相鄰縫隙間的互耦非常強(qiáng)，如縫隙slot1和slot3 之間以及slot2 和slot4 之間。由于每個(gè)多模波導(dǎo)的2×2 個(gè)縫隙都是通過主模波導(dǎo)饋電，為避免E 面上相鄰縫隙間的強(qiáng)互耦作用從而引起E 面方向圖的畸變以及饋電端口的阻抗失配，因此，在陣列上表面x方向上縫隙間添加了一條位于縫隙表面上方的金屬條塊，可稱為去耦柵，如圖2 所示。其寬度約為縫隙間距的一半，高度略大于1/10 波長。

波導(dǎo)尺寸及輻射縫結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)使用電磁仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)端口駐波進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化得到的縫隙及腔體尺寸作為設(shè)計(jì)的初值。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 單元結(jié)構(gòu)參數(shù) (mm)

1.3 陣因子分布

整個(gè)陣面縫隙數(shù)為128×16，方位面縫隙數(shù)128，分16 個(gè)子陣，每個(gè)子陣內(nèi)等幅分布，由于方位面副瓣要求-21 dB 以下，因此對(duì)方位面16 個(gè)子陣按-28 dB 副瓣泰勒分布進(jìn)行加權(quán)[15]；俯仰面縫隙數(shù)16，分4 個(gè)子陣，沒有副瓣要求，按-20 dB 副瓣泰勒分布淺加權(quán)，陣因子方向圖如圖3、圖4 所示。

圖3 陣因子俯仰面方向圖

圖4 陣因子方位面方向圖

如圖4 所示，由于子陣內(nèi)單元等幅分布，因此會(huì)產(chǎn)生周期性的副瓣，適當(dāng)調(diào)整單元間距和子陣規(guī)模大小可以使得周期性副瓣低于第一副瓣，滿足副瓣要求。

1.4 波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)

通過波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)短路面開縫的多模波導(dǎo)進(jìn)行饋電，實(shí)現(xiàn)輻射陣列口面激勵(lì)的錐削分布，以滿足對(duì)副瓣電平的需求。功分器采用E 面T 型波導(dǎo)功分器，1/2 陣面的波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)的仿真模型示意圖如圖5 所示。功分網(wǎng)絡(luò)的駐波仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖5 波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型示意圖

圖6 波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)駐波仿真結(jié)果

1.5 整陣仿真模型及仿真結(jié)果

天線整體的仿真模型示意如圖7 所示。天線結(jié)構(gòu)尺寸為450 mm×50 mm×9 mm。

圖7 天線仿真模型示意圖

仿真駐波曲線如圖8 所示。

圖8 天線的仿真駐波曲線

仿真方位面方向圖如圖9 所示，俯仰面方向圖如圖10 所示。

圖9 帶內(nèi)仿真方位面方向圖

圖10 帶內(nèi)仿真俯仰面方向圖

2 天線測(cè)試

天線實(shí)物如圖11 所示。駐波的測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。

圖11 天線實(shí)物照片

圖12 天線駐波實(shí)測(cè)結(jié)果

由于天線方位面波束寬度在0.5°±10%，天線長度為450 mm，按測(cè)試所需的最小遠(yuǎn)場(chǎng)距離2×D2/λ計(jì)算，需要的遠(yuǎn)場(chǎng)距離為104 m 以上，考慮暗室測(cè)試環(huán)境及測(cè)試場(chǎng)地的局限性，針對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線，采用遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行性能測(cè)試；測(cè)試設(shè)備包括配有刻度的手搖轉(zhuǎn)臺(tái)、頻譜儀、倍頻器、混頻器。采用手搖轉(zhuǎn)臺(tái)以0.10°為掃描角度間隔，掃描±5°范圍采樣取點(diǎn)完成方向圖測(cè)試。方位面方向圖如圖13～圖15 所示。

圖13 74 GHz 方位面方向圖對(duì)比

圖14 76.5 GHz 方位面方向圖對(duì)比

圖15 79 GHz 方位面方向圖對(duì)比

俯仰面的方向圖測(cè)試在暗室內(nèi)完成，如圖16～圖18所示。

圖16 74 GHz 俯仰面方向圖對(duì)比

圖17 76.5 GHz 俯仰面方向圖對(duì)比

圖18 79 GHz 俯仰面方向圖對(duì)比

天線實(shí)測(cè)方向圖與仿真方向圖進(jìn)行了對(duì)比，具體的指標(biāo)達(dá)到情況統(tǒng)計(jì)見表2。由指標(biāo)對(duì)比來看實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，滿足使用要求。

表2 天線實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于FOD 檢測(cè)系統(tǒng)的V 波段波導(dǎo)縫隙陣列天線。該天線采用多模波導(dǎo)縫隙陣列天線形式，結(jié)構(gòu)緊湊，天線厚度在10 mm 以內(nèi)；對(duì)機(jī)加精度要求不高，加工容錯(cuò)率比較高。加工出實(shí)物進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，實(shí)測(cè)口面效率50%以上，實(shí)現(xiàn)了高增益、低剖面的目標(biāo)，對(duì)于V 波段以及更高頻段毫米波天線的研究和應(yīng)用具有較高的參考意義。