一种赋形波束阵列天线的设计

摘要：本文根据多点定位系统的天线要求，首先设计印刷的单极子天线单元，之后将5个天线单元综合为天线阵列，再应用遗传算法优化各阵元的幅度和相位分布，根据各阵元的幅度和相位，设计出微带功分器。最后在功分器各端口的幅相导入总体天线模型并进行仿真。总体天线的最大增益为6.4dB，在仰角0°～58°内满足赋形要求，且副瓣最大相对增益为-30dB。

引言

　　近年来，机场场面监视得到了重视和发展，无源多点定位(MLAT)是一种新式的目标监视技术，可推广用于机场场面、进近和航路(广域多点定位)的目标监视，是一种非协同监视技术^[1]。在多点定位系统中，要求天线以水平方向为全向，垂直方向的方向图为水平面以上宽波束赋形，并且需要低副瓣电平，因此，需要赋形波束阵列天线，以满足天线方向图的要求。该天线用于接收机场区域飞机或者地面移动目标(车辆)上发送的(1090±5)MHz的ADS-B信号。文献[2]使用离散傅里叶变换(DFT)和遗传算法相结合的方法，优化了含17个单元、频段在X波段的天线阵，实现了0°～30°的波束覆盖，并有效抑制了副瓣;文献[3]设计了一种印刷偶极子阵列天线，该天线水平方向波束宽度约为70°，垂直方向图为余割平方形。而要实现水平方向上全向、空域中宽波束覆盖，宜选用全向天线作为阵列单元，并垂直地面布阵，调节各阵元幅相，使其满足方向图赋形要求。

1 天线阵列单元的设计和仿真

　　天线阵列单元选择全向天线，本文采用印刷单极子的形式^[4]，天线馈电用SMA接头和微带传输线实现。这种印刷单极子天线单元加工成本低、精度高，且便于组装^[5]。

　　图1是印刷单极子天线在HFSS中的仿真模型，基板材料采用FR4，图中最上方的带状结构为天线的λ/2辐射段，下方为微带传输线，用来进行阻抗变换。仿真优化后的印刷单极子天线的介质板厚度为1mm，介质板大小为101mm×63mm，辐射段长度为44mm，宽度为12mm，微带传输线长度为44mm，宽度为2.4mm^[6]。

　　HFSS仿真得到该天线在1090MHz的驻波比为1.02，(1090±10)MHz内驻波比小于1.2。该天线在XOZ平面的增益在1.7dB～2.1dB，全向性很好。H面上完全全向，E面内在-60°～+60°内近似全向。因此，阵列沿Y轴分布。

2 阵列单元幅度、相位分布

　　一个阵列的波束方向图等于该阵列单元方向图与阵列因子方向图的乘积，即：

G(φ,θ)=F(φ,θ)×f(φ,θ)

　　式中G(φ,θ)是阵列的方向图，F(φ,θ)是阵列因子方向图，f(φ,θ)是阵元的方向图。因本文采用的阵列单元为全向天线，所以只需使阵列方向图满足赋形要求即可。本文在天线阵列方向图综合^[7]的基础上使用遗传算法来优化各单元的幅度和相位。

2.1 遗传算法简介

　　遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是一种全局优化算法，是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。它的思想源于生物遗传学和适者生存的自然规律，是具有“生存+检测”的迭代过程的搜索算法，现已经被工程师成功地运用到了天线领域，解决了许多阵列天线综合的问题。

　　本文先通过天线阵列综合方法得到一组解，如表1所示。然后在幅度差为0.2、相位差在60°以内，用遗传算法进行优化。

2.2 MATLAB仿真

　　通过MATLAB 7.0仿真得到的各阵元幅度、相位理论值以3号阵元作归一化后如表2所示，方向图如图2所示。在MATLAB仿真结果中，方向图在天顶角30°～90°满足赋形要求，且最大副瓣约为-15dB。

2.3 阵列仿真

　　将MATLAB仿真计算得到的功率比(表1中幅度比的平方)、相位值代入HFSS印刷单极子阵列模型进行仿真。阵列仿真模型如图3所示，阵列垂直方向归一化方向如图4所示。天线最大增益约为6.5dB，天顶角32°相对增益约为-20dB，天顶角90°相对增益约为-9.4dB，最大副瓣约为-27.9dB。

3 馈电网络的设计和仿真

　　根据MATLAB仿真计算得出的功率、相位分布，设计多个wilkison功分器级联进行功率分配[9]，以实现各阵元的幅相要求。因为使用电缆和SMA接头与天线单元连接，对输出端口的位置没有限制，所以优先考虑小型化。功分器HFSS仿真模型如图5所示，功分器在1090MHz±10MHz内驻波比约为1.22，各端口输出幅度比和各输出端口相位以3号端口作归一化后如表3所示。幅度实际值与理论值误差在5%以内，相位误差在3°以内。

4 整体

　　仿真

　　将功分器各输出端口的功率、相位导入MATLAB检验之后，再导入HFSS天线阵列模型进行仿真，仿真结果如图6所示。天线阵列的最大增益约为6.4dB，指向约为天顶角70°，半功率波束宽度约为27°;天顶角32°相对增益约为-20.2dB，天顶角90°相对增益约为-9.0dB，最大副瓣小于-30dB。

5 结论

　　本文设计出一种水平方向图为全向、垂直方向为宽波束赋形的微带阵列天线。采用5个印刷单极子组阵，并用微带型Wilkison功分器实现馈电。天线阵列的最大增益约为6.4dB，且最大副瓣与最大增益相比约为-30dB。该天线阵列结构简单，加工成本低，作为ADS-B接收天线，有很好的应用前景。

参考文献:

　　[1]沈金良.机场场面无源多点定位系统研究[J].舰船电子对抗, 2015.2 38(1):13-17.

　　[2]GAO Zhiguo, Yang Bing. Antenna pattern synthesis of shaped-beam using a new combined algorithm.Antennas and Propagation (APCAP), 2014 3rd Asia-Pacific Conference on.2014: 291-293, DOI: 10.1109/APCAP.2014.6992477.

　　[3]张运启.余割平方赋形波束阵列天线的研究[D].西安: 西安电子科技大学. 2012.

　　[4]Keith R Carver, James W Mink. Microstrip antenna technology. IEEE Transactions On Antennas and Propagation, Jan.1981, Vo l. AP -29, NO.1, pp .2-24.

　　[5]钟顺时. 微带天线理论与应用[M].西安电子科技大学出版社. 1991.

　　[6]林昌禄. 天线工程手册[M].电子工业出版社, 2002.

　　[7]R. C. Hansen. Array pattern control and synthesis. Proc. IEEE, Jan. 1992 vo1.80, pp.141-151.

　　[8]陈国良,王煦法,庄镇泉,等.遗传算法及其应用[M].人民邮电出版社, 1996,6.

　　[9]程敏锋,刘学观.微带型 Wilkinson 功分器设计与实现[J].现代电子技术. 2006, 29(20): 25-26.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。