搜索新穎的中心開孔單脈沖毫米波縫隙陣列天線的設計
2017-05-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1、引言
縫隙陣列天線由于它優(yōu)良的電性能,被廣泛應用在導引頭天線上。通常的導引頭天線的天線陣面,陣元都是均勻分布的。但是隨著導引頭技術的發(fā)展,越來越多的導引頭采用了復合導引頭技術,例如雙微波頭復合導引頭、微波與毫米波復合導引頭、射頻與光電復合導引頭等等,需要在同個導引頭口徑上放置多個探測器。特別對于光學導引頭,其探測器需要放置在復合導引頭口徑中央,這就出現(xiàn)對中心開孔的單脈沖導引頭天線陣面的需求。而對這種中心開孔的非均勻天線陣面的設計,傳統(tǒng)的天線方向圖綜合方法已經(jīng)不再適用。為此本文對這種新穎的中心開孔的單脈沖縫隙陣列天線進行專門的設計和分析,所采用的單脈沖縫隙陣列天線選擇毫米波段能夠使天線得到較高的增益。
2、天線的特點和設計方法
2.1 非均勻天線陣面的方向圖綜合
縫隙陣列天線中心開孔后,帶來的問題是天線口面的激勵分布發(fā)生了改變。對于一個激勵分布均勻的天線口面,其天線陣因子的副瓣為-13dB。如果想要得到低副瓣,可以通過天線陣的加權方法進行方向圖綜合。均勻陣的加權方法有泰勒分布方法和切比雪夫方法等等,其特點都是口面中心激勵最大,朝邊緣的方向逐漸變小。但是當天線面陣中心開孔后,沒有了激勵最大部分,這時其天線面陣的天線副瓣就會迅速抬高。圖1是一個用泰勒分布方法加權副瓣為-26dB的316個陣元的均勻陣圓口面激勵分布,圖2是將其面陣中心去掉4*4陣元的非均勻陣的圓口面激勵分布。
圖1 均勻陣圓口面加權副瓣為-26dB的激勵分布立體示意圖
圖2將均勻陣中心去掉4*4陣元后的激勵分布立體示意圖
上述天線在天線面陣中心陣元去掉前后主面方向圖副瓣發(fā)生的變化見圖3所示。
圖3 天線面陣中心開孔前后的主面方向圖
可以看到天線的副瓣從原來的-26dB抬高到-19dB,原因是中心區(qū)激勵幅度最大,對天線副瓣的加權比較敏感,失去中心區(qū)域的激勵后導致天線副瓣惡化變差。對這種非均勻陣的天線如何重新進行副瓣加權優(yōu)化,我們基于遺傳算法(GA)等全局優(yōu)化算法研究,提出了一種針對這種非均勻陣的全新優(yōu)化方法,優(yōu)化后的中心開孔非均勻陣的圓口面激勵分布見圖4,天線的主面的副瓣經(jīng)過這種方法優(yōu)化可以做到小于-25dB,效果十分顯著。
圖4 基于GA優(yōu)化的中心開孔的圓口面激勵分布
2.2 根據(jù)中心開孔的特點考慮縫隙陣元之間的互耦消除
對比均勻陣和非均勻陣副瓣加權后的激勵分布(見圖1和圖4),有兩個明顯的不同:其一是均勻陣的激勵幅度都是中心處為最大,而中心開孔的非均勻陣激勵幅度在中心區(qū)域為零,最大的激勵幅度出現(xiàn)在中心區(qū)域周圍;其二是均勻陣從中心向天線邊緣激勵幅度是從大到小緩緩變化,而中心開孔的非均勻陣的激勵幅度經(jīng)過GA副瓣加權優(yōu)化后幅度變化存在突變情況。所以在設計中心開孔的縫隙陣時,消除陣元間的互耦需要綜合考慮中心開孔陣激勵分布的特點。
縫隙陣的設計可以由Elloit的三個公式聯(lián)解完成。其設計公式如下:
3、天線的設計與仿真
3.1 天線陣元數(shù)選擇
天線的設計實例采用毫米波段。對于毫米波段,由于結構尺寸都非常小,所以要求設計的參數(shù)有很好的設計精度。
天線的具體要求是:
頻率:35GHz
天線口徑138mm,中間開直徑為25.4mm的孔。
波導尺寸選擇為寬邊5.74mm,窄邊2.8mm。輻射波導與饋電波導的尺寸相同。經(jīng)過計算,開孔后的陣面共有300個陣元。天線陣面分為四個區(qū),實現(xiàn)單脈沖天線的和波束與方位俯仰差波束。
3.2 陣元的激勵幅度設計
采用GA優(yōu)化設計,得到圓口面激勵分布見圖4,其中主面上的激勵幅度分布示意見圖5。
圖5 中心開孔陣面副瓣加權后其主面上的激勵幅度分布
3.3 天線的設計結果仿真
根據(jù)天線的激勵分布,通過Elloit的公式設計得到經(jīng)過副瓣加權的中心開孔非均勻縫隙陣的電氣尺寸。在電磁場仿真軟件中建立模型進行仿真分析,仿真模型見圖6。方向圖的仿真結果分別見圖7至圖9。
圖6 天線的仿真模型(正反面)
圖7 天線的立體方向圖(和波束)
圖8 天線E面的和差方向圖
圖9 天線H面的和差方向圖
仿真結果,在不考慮饋線的損耗情況下,天線的增益可以達到30.75dB。天線E面的和波束寬度為4.6°,天線的副瓣電平不大于-24.9dB。天線H面的和波束寬度為4.3°,天線的副瓣電平不大于-24.5dB。
4、結論
通過對這種新穎的中心開孔的單脈沖縫隙陣列天線的研究和設計,得到了性能優(yōu)良的天線設計結果,可以用于復合導引頭設計中,對于新一代的復合導引頭應用具有非常重要的現(xiàn)實意義。
作者:毫米波遙感技術重點實驗室北京遙感設備研究所 王杰 王卓 李巍
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