一種賦形波束陣列天線(xiàn)的設計

摘要：本文根據多點(diǎn)定位系統的天線(xiàn)要求，首先設計印刷的單極子天線(xiàn)單元，之后將5個(gè)天線(xiàn)單元綜合為天線(xiàn)陣列，再應用遺傳算法優(yōu)化各陣元的幅度和相位分布，根據各陣元的幅度和相位，設計出微帶功分器。最后在功分器各端口的幅相導入總體天線(xiàn)模型并進(jìn)行仿真?？傮w天線(xiàn)的最大增益為6.4dB，在仰角0°～58°內滿(mǎn)足賦形要求，且副瓣最大相對增益為-30dB。

引言

　　近年來(lái)，機場(chǎng)場(chǎng)面監視得到了重視和發(fā)展，無(wú)源多點(diǎn)定位(MLAT)是一種新式的目標監視技術(shù)，可推廣用于機場(chǎng)場(chǎng)面、進(jìn)近和航路(廣域多點(diǎn)定位)的目標監視，是一種非協(xié)同監視技術(shù)^[1]。在多點(diǎn)定位系統中，要求天線(xiàn)以水平方向為全向，垂直方向的方向圖為水平面以上寬波束賦形，并且需要低副瓣電平，因此，需要賦形波束陣列天線(xiàn)，以滿(mǎn)足天線(xiàn)方向圖的要求。該天線(xiàn)用于接收機場(chǎng)區域飛機或者地面移動(dòng)目標(車(chē)輛)上發(fā)送的(1090±5)MHz的ADS-B信號。文獻[2]使用離散傅里葉變換(DFT)和遺傳算法相結合的方法，優(yōu)化了含17個(gè)單元、頻段在X波段的天線(xiàn)陣，實(shí)現了0°～30°的波束覆蓋，并有效抑制了副瓣;文獻[3]設計了一種印刷偶極子陣列天線(xiàn)，該天線(xiàn)水平方向波束寬度約為70°，垂直方向圖為余割平方形。而要實(shí)現水平方向上全向、空域中寬波束覆蓋，宜選用全向天線(xiàn)作為陣列單元，并垂直地面布陣，調節各陣元幅相，使其滿(mǎn)足方向圖賦形要求。

1 天線(xiàn)陣列單元的設計和仿真

　　天線(xiàn)陣列單元選擇全向天線(xiàn)，本文采用印刷單極子的形式^[4]，天線(xiàn)饋電用SMA接頭和微帶傳輸線(xiàn)實(shí)現。這種印刷單極子天線(xiàn)單元加工成本低、精度高，且便于組裝^[5]。

　　圖1是印刷單極子天線(xiàn)在HFSS中的仿真模型，基板材料采用FR4，圖中最上方的帶狀結構為天線(xiàn)的λ/2輻射段，下方為微帶傳輸線(xiàn)，用來(lái)進(jìn)行阻抗變換。仿真優(yōu)化后的印刷單極子天線(xiàn)的介質(zhì)板厚度為1mm，介質(zhì)板大小為101mm×63mm，輻射段長(cháng)度為44mm，寬度為12mm，微帶傳輸線(xiàn)長(cháng)度為44mm，寬度為2.4mm^[6]。

　　HFSS仿真得到該天線(xiàn)在1090MHz的駐波比為1.02，(1090±10)MHz內駐波比小于1.2。該天線(xiàn)在XOZ平面的增益在1.7dB～2.1dB，全向性很好。H面上完全全向，E面內在-60°～+60°內近似全向。因此，陣列沿Y軸分布。

2 陣列單元幅度、相位分布

　　一個(gè)陣列的波束方向圖等于該陣列單元方向圖與陣列因子方向圖的乘積，即：

G(φ,θ)=F(φ,θ)×f(φ,θ)

　　式中G(φ,θ)是陣列的方向圖，F(φ,θ)是陣列因子方向圖，f(φ,θ)是陣元的方向圖。因本文采用的陣列單元為全向天線(xiàn)，所以只需使陣列方向圖滿(mǎn)足賦形要求即可。本文在天線(xiàn)陣列方向圖綜合^[7]的基礎上使用遺傳算法來(lái)優(yōu)化各單元的幅度和相位。

2.1 遺傳算法簡(jiǎn)介

　　遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)是一種全局優(yōu)化算法，是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過(guò)程的計算模型。它的思想源于生物遺傳學(xué)和適者生存的自然規律，是具有“生存+檢測”的迭代過(guò)程的搜索算法，現已經(jīng)被工程師成功地運用到了天線(xiàn)領(lǐng)域，解決了許多陣列天線(xiàn)綜合的問(wèn)題。

　　本文先通過(guò)天線(xiàn)陣列綜合方法得到一組解，如表1所示。然后在幅度差為0.2、相位差在60°以?xún)?，用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 MATLAB仿真

　　通過(guò)MATLAB 7.0仿真得到的各陣元幅度、相位理論值以3號陣元作歸一化后如表2所示，方向圖如圖2所示。在MATLAB仿真結果中，方向圖在天頂角30°～90°滿(mǎn)足賦形要求，且最大副瓣約為-15dB。

2.3 陣列仿真

　　將MATLAB仿真計算得到的功率比(表1中幅度比的平方)、相位值代入HFSS印刷單極子陣列模型進(jìn)行仿真。陣列仿真模型如圖3所示，陣列垂直方向歸一化方向如圖4所示。天線(xiàn)最大增益約為6.5dB，天頂角32°相對增益約為-20dB，天頂角90°相對增益約為-9.4dB，最大副瓣約為-27.9dB。

3 饋電網(wǎng)絡(luò )的設計和仿真

　　根據MATLAB仿真計算得出的功率、相位分布，設計多個(gè)wilkison功分器級聯(lián)進(jìn)行功率分配[9]，以實(shí)現各陣元的幅相要求。因為使用電纜和SMA接頭與天線(xiàn)單元連接，對輸出端口的位置沒(méi)有限制，所以?xún)?yōu)先考慮小型化。功分器HFSS仿真模型如圖5所示，功分器在1090MHz±10MHz內駐波比約為1.22，各端口輸出幅度比和各輸出端口相位以3號端口作歸一化后如表3所示。幅度實(shí)際值與理論值誤差在5%以?xún)?，相位誤差在3°以?xún)取?/p>

4 整體

　　仿真

　　將功分器各輸出端口的功率、相位導入MATLAB檢驗之后，再導入HFSS天線(xiàn)陣列模型進(jìn)行仿真，仿真結果如圖6所示。天線(xiàn)陣列的最大增益約為6.4dB，指向約為天頂角70°，半功率波束寬度約為27°;天頂角32°相對增益約為-20.2dB，天頂角90°相對增益約為-9.0dB，最大副瓣小于-30dB。

5 結論

　　本文設計出一種水平方向圖為全向、垂直方向為寬波束賦形的微帶陣列天線(xiàn)。采用5個(gè)印刷單極子組陣，并用微帶型Wilkison功分器實(shí)現饋電。天線(xiàn)陣列的最大增益約為6.4dB，且最大副瓣與最大增益相比約為-30dB。該天線(xiàn)陣列結構簡(jiǎn)單，加工成本低，作為ADS-B接收天線(xiàn)，有很好的應用前景。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。