一維超寬帶陣列天線時(shí)域波束掃描分析

張昀劍 熊 靈 高 鵬

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

相比于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)，相對(duì)帶寬大于25%的超寬帶技術(shù)被廣泛證明具有巨大優(yōu)勢(shì)［1］。信號(hào)的寬帶特性使超寬帶技術(shù)吸引了大量學(xué)者研究其應(yīng)用，例如遙感遙測(cè)、穿墻雷達(dá)、個(gè)人無(wú)線通信系統(tǒng)等［2-6］。

基于頻域的窄帶天線分析方法已經(jīng)非常成熟，但對(duì)于超寬帶天線來(lái)說(shuō)該方法具有一定局限性。超寬帶時(shí)域激勵(lì)信號(hào)具有很寬的頻譜，若要得到天線輻射或接收的時(shí)域特性，需要對(duì)多頻點(diǎn)的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換，實(shí)現(xiàn)方法難度較大且繁瑣。時(shí)域方法通過(guò)高速采樣示波器直接獲取時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次傅里葉變換即可得到完整的頻譜，能夠更便捷直觀地表示信號(hào)傳播特性［7］。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，基于超寬帶天線的時(shí)域超寬帶雷達(dá)具有諸多優(yōu)勢(shì)［8-10］。為提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力，需要對(duì)輻射波束進(jìn)行賦形，因此采用超寬帶天線組成陣列作為超寬帶雷達(dá)的接收/發(fā)射天線是一種行之有效的方法［11］。

2011 年，日本櫻花公司的Fuminori Sakai 等人設(shè)計(jì)出了一種小型超寬帶穿墻雷達(dá)［12］。該研究使用波束掃描陣列天線，通過(guò)改變觸發(fā)頻率(46.98MHz ± 230KHz)改變輻射波束指向(-40°～38°)，實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)顯示該雷達(dá)系統(tǒng)具有25cm的距離分辨率和15°的角度分辨率。該雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率帶寬為3.4GHz 至4.8GHz，對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)為63mm 至88mm，發(fā)射信號(hào)的穿透力受到一定限制且回波損耗相對(duì)較大。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)1 ×4 均勻直線超寬帶天線陣列用于時(shí)域仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試。各天線單元由相同波形、不同時(shí)延的時(shí)域瞬態(tài)信號(hào)激勵(lì)。因此，波束掃描可以通過(guò)在激勵(lì)源與天線之間添加時(shí)延模塊實(shí)現(xiàn)。天線單元之間的間距優(yōu)化通過(guò)商業(yè)軟件CST 微波工作室套件［13］完成。仿真與測(cè)試結(jié)果表明該陣列可以實(shí)現(xiàn)X-Z 平面上±40°波束掃描。

2 時(shí)域波束掃描理論

時(shí)域天線陣列基本理論與傳統(tǒng)相控陣?yán)碚撓嗨?。但不同于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)使用移相器，時(shí)域陣列通過(guò)改變輸入信號(hào)時(shí)延改變波束指向［14］。傳統(tǒng)相控陣天線的帶寬受陣列單元(天線，放大器，波束成形網(wǎng)絡(luò))限制，但更嚴(yán)重的影響往往來(lái)自于使用移相器進(jìn)行波束控制。超寬帶雷達(dá)使用實(shí)時(shí)延時(shí)(true time delay，TTD)技術(shù)，消除了這種限制。實(shí)時(shí)延時(shí)線相比于移相器還具有損耗小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)［15］。

圖1 為線性四單元超寬帶陣列天線的掃描原理圖。最大掃描角度θ 由相鄰天線單元間距決定。它們之間的關(guān)系由式(1)給出:

其中，△t 為相鄰天線單元之間的相對(duì)延時(shí)差，d 為相鄰天線元間距，ti為第i 個(gè)天線元的延時(shí)，c 為光速。由式(1)可以看出，若陣列天線結(jié)構(gòu)固定，波束掃描角度θ 只與相鄰天線激勵(lì)延時(shí)差有關(guān)，即通過(guò)控制各天線元的激勵(lì)延時(shí)差就可以實(shí)現(xiàn)波束掃描。

陣元間距是陣列天線的基本參量之一，若陣元數(shù)相同，則陣元間距d 大，陣列口徑互耦弱、增益高。若口徑尺寸一定，則陣元間距越大，口徑內(nèi)需要設(shè)置的陣元數(shù)越少，相應(yīng)的延時(shí)模塊數(shù)量及激勵(lì)脈沖源數(shù)量將減少。但另一方面，陣元間距受到掃描波瓣質(zhì)量的限制。若間距過(guò)大，將導(dǎo)致柵瓣的出現(xiàn)，使能量分散，增益下降［16］。

激勵(lì)信號(hào)為時(shí)域瞬態(tài)信號(hào)。為確保波束在希望的方向上信號(hào)強(qiáng)度最大，陣列各天線單元的輸出必須在該方向上保持同相位。否則各天線的輸出波形合成將無(wú)法達(dá)到最優(yōu)化。

圖1 線性四單元超寬帶陣列波束掃描原理圖

3 天線設(shè)計(jì)

圖2 為單片超寬帶天線示意圖及主要參數(shù)。在特高頻頻段(300MHz～3000MHz)常常選用對(duì)拓維瓦爾迪天線，對(duì)于發(fā)射典型的時(shí)域信號(hào)來(lái)說(shuō)其相對(duì)帶寬足夠?qū)?。天線基板為FR4 材料，相對(duì)介電常數(shù)2.2，厚度2mm。使用商業(yè)軟件CST 微波工作室套件進(jìn)行仿真及安捷倫E8363B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。為便于對(duì)比，仿真和測(cè)量的回波損耗(S11，單位:dB)見(jiàn)圖3。

4 仿真結(jié)果及分析

圖4 為1 ×4 陣列天線示意圖，相鄰天線間距為d。為滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，探針設(shè)置為陣列法線方向100m 處。選用高斯脈沖作為各天線激勵(lì)信號(hào)是因?yàn)槠湓跁r(shí)域和頻域都有良好的分辨率，物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，許多寬帶信號(hào)都可以被近似當(dāng)作高斯脈沖，如超寬帶天線的階躍響應(yīng)。改變陣列間距d，分別記錄陣列法線方向上探針的時(shí)域信號(hào)峰峰值，從仿真結(jié)果圖5 中可以看出，當(dāng)天線單元間距d=330mm 時(shí)，探針接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)峰峰值達(dá)到最大值316.92mV。

圖5 不同天線元間距情況下法線方向探針接收信號(hào)峰峰值

根據(jù)所設(shè)計(jì)天線的工作帶寬，陣列遠(yuǎn)場(chǎng)距離可由(2)式確定:

其中，λ 為最小工作波長(zhǎng);D 為天線陣列口徑;r 為遠(yuǎn)場(chǎng)距離。對(duì)于所設(shè)計(jì)的1 × 4 陣列，D=3 × d=0.99m，λ=c/f=0.35m，因此遠(yuǎn)場(chǎng)距離應(yīng)大于5.6m。在仿真中設(shè)置探針與陣列中心的距離為10m 能夠滿足遠(yuǎn)場(chǎng)要求。

由仿真結(jié)果確定天線間距為330mm。當(dāng)工作頻率為250MHz 時(shí)，天線間距為半波長(zhǎng)的0.55 倍，當(dāng)工作頻率為850MHz 時(shí)，天線間距為半波長(zhǎng)的1.88倍。當(dāng)波束掃描角度為10°、20°、30°、40°時(shí)，相對(duì)激勵(lì)時(shí)延Δt 分別為0.19ns、0.38ns、0.55ns、0.71 ns。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，仿真結(jié)果單位為場(chǎng)強(qiáng)(V/m)。

當(dāng)各天線單元同時(shí)激勵(lì)時(shí)，探針接收到的時(shí)域信號(hào)見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，當(dāng)各天線單元激勵(lì)之間不存在時(shí)延，接收信號(hào)峰峰值在陣列法線方向(0°)上達(dá)到最大。接收波形為二階高斯脈沖，這是由于超寬帶天線對(duì)超寬帶信號(hào)的作用可以用一次微分來(lái)近似［17］。隨著探針偏離陣列法線方向角度增大，接收信號(hào)峰峰值減小，脈沖寬度增加。因?yàn)樘结樀慕邮招盘?hào)是由單個(gè)天線元接收信號(hào)疊加而成，當(dāng)不存在激勵(lì)時(shí)延時(shí)，各天線單元接收信號(hào)在法線方向保持同相，合成效果最佳。在偏離法線方向上，各天線單元接收波形傳播的距離不同導(dǎo)致各接收信號(hào)不同相，疊加后造成能量損失，峰峰值減小。隨著偏移角度增大，各天線元接收波形傳播距離差增大，接收波形各峰值相互錯(cuò)開(kāi)，疊加后形成四個(gè)小峰值脈沖信號(hào)。當(dāng)陣列波束掃描角度為20°、40°時(shí)，X-Z平面的時(shí)域接收信號(hào)仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖7(a)、(b)。從峰峰值方向圖(圖8)中可以看出，波束主峰值電平隨掃描角的增大而減小，同時(shí)波束寬度增大。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 各角度波束掃描情況下的峰峰值方向圖(X-Z 平面)

為試驗(yàn)驗(yàn)證波束掃描理論與仿真結(jié)果，我們搭建了1 ×4 超寬帶方位天線陣列的測(cè)試系統(tǒng)。采用自設(shè)計(jì)的1ns 脈寬高斯信號(hào)脈沖源(見(jiàn)圖9(a))來(lái)還原輸入信號(hào)，輸出信號(hào)幅度峰峰值為3V，使用10-1000MHz 功分器(見(jiàn)圖9(b))將脈沖信號(hào)一路分成四路，可保證饋入天線的信號(hào)波形相同，并通過(guò)設(shè)計(jì)好的不等長(zhǎng)同軸線與各天線單元連接，實(shí)現(xiàn)不同延時(shí)。發(fā)射天線陣列由四片上述設(shè)計(jì)的維瓦爾迪超寬帶天線組成(如圖9(c))。接收天線與發(fā)射天線相同。

同軸線介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2F/m，以波束掃描40°為例，根據(jù)式(1)可計(jì)算出相鄰天線的同軸線長(zhǎng)度差Δl 為:

圖9 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵器件實(shí)物圖

取基準(zhǔn)長(zhǎng)度為1m，則各同軸線長(zhǎng)度分別為1.00m、1.31m、1.62m、1.93m。圖10、圖11 分別為陣列法線方向及偏離陣列法線40°方向的接收信號(hào)測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，法線方向上的接收信號(hào)由四個(gè)小波峰組成，因?yàn)楦魈炀€輻射波形在法線方向上不同相，無(wú)法實(shí)現(xiàn)波束合成。偏離法線40°方向上各信號(hào)保持同相，因此波束合成效果較好。

6 結(jié)論

本文基于超寬帶雷達(dá)相關(guān)理論進(jìn)行了時(shí)域陣列天線波束掃描研究。為驗(yàn)證該理論，設(shè)計(jì)了1 ×4 維瓦爾迪直線均勻超寬帶天線陣列并進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)CST 軟件仿真確定陣列間距。分別討論及驗(yàn)證了天線陣列不掃描及掃描時(shí)，各角度接收波形的情況。對(duì)不同角度的波束掃描進(jìn)行了峰值方向圖仿真并進(jìn)行了討論。結(jié)果顯示該陣列能夠?qū)崿F(xiàn)X-Z 平面±40°波束掃描。仿真結(jié)果表明，Y-Z 平面與X-Z平面波束掃描有類(lèi)似的結(jié)果，但受條件所限，未對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)改變發(fā)射信號(hào)相位以改變波束指向，但是改變時(shí)延的方式更加易于實(shí)現(xiàn)且成本更低。為確保波束在希望的方向上信號(hào)強(qiáng)度最大，陣列各天線單元的輸出必須在該方向上保持同相位。否則各天線的輸出波形將無(wú)法合成或達(dá)到合成最優(yōu)化。

超寬帶瞬時(shí)雷達(dá)具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，例如優(yōu)越的反隱身能力，強(qiáng)的抗干擾能力及極高的距離分辨率。因此可以預(yù)言，通過(guò)使用實(shí)時(shí)延時(shí)模塊可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域雷達(dá)的波束實(shí)時(shí)掃描。

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