一种双圆极化半球面相控阵天线的优化设计*

2023-12-25朱宏权张金荣张中山

电讯技术 2023年12期

唐聪,高昕,朱宏权,张金荣,张中山,朱超

(1.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100095;2.中国西南电子技术研究所,成都610036;3.北京理工大学网络空间安全学院,北京 100081)

0 引言

传统的反射面天线是依靠机械伺服装置来控制天线的物理指向从而控制天线波束,其实现波束扫描的时间较长,往往难以跟踪高速飞行的目标。而相控阵天线通过开关控制每个天线阵元的馈电相位从而实现波束扫描,大大提高了波束扫描的速度和灵活性。另外,相控阵天线能够同时产生多个波束快速捕获和跟踪多个目标,而传统抛物面天线仅仅能够跟踪单个目标,难以满足目前全空域多目标通信的应用需求。

传统平面相控阵天线随着扫描角度的增加,增益逐渐降低,其俯仰角覆盖范围一般在±60°之内[1-3]。为实现全空域扫描,研究人员提出了多种天线布阵方式,比如将天线阵面倾斜[4]、多面阵[5-6]、加棱镜[7]、天线罩[8]和圆台阵列[9]等。但由于以上布阵方式在圆台和侧面连接处存在不连续性,因此在跟踪目标时会出现波束切换的问题,这对后端的信号处理提出了更高的要求,增加了系统的复杂度。球面天线在各个角度进行波束扫描时能够保持波束增益几乎不变,因此该布局方式特别适用于需要大空域或者全空域波束扫描的场合[10-12]。另外,球形阵列天线的阵元都位于球面上,阵元之间是连续排布,因此波束扫描时不会出现波束切换的问题。但在实际应用时,需考虑天线的尺寸以及安装固定,因此通常将球面阵列天线截断即进行半球面阵列天线设计。而截断设计比较复杂,往往有很多因素需要考虑[13-15]。

本文针对全空域多目标通信的应用需求,采用半球面加圆柱的天线布阵形式,以扩大天线的空域覆盖范围。为了获得最佳的天线性能,本文分析对比了三种不同阵元布局方式下的天线性能,并得到一种最佳的天线布阵方式。

1 半球面天线布局

1.1 单个阵元

本项目要求天线具有左旋圆极化和右旋圆极化的能力。另外,项目对天线的结构尺寸也有约束,需要天线具有低剖面、轻量化的特点。因此,天线阵元设计时需兼顾轻量化和小型化,同时为了实现双圆极化性能,还应考虑极化网络的设计复杂度。与波导、振子、螺旋等形式的天线相比,微带贴片天线具有较低的剖面厚度,同时具有低成本和轻量化的优点,符合本项目需求,所以选择微带天线作为辐射单元。

图1所示为本项目所采用的天线阵元模型,其主要由辐射贴片、电桥、辐射杯子等部分组成。采用双点馈电加电桥的形式实现双圆极化设计,通过添加辐射杯子的方式提升天线阵元的增益。辐射贴片为标准矩形贴片,电桥电尺寸为λ/4(λ为对应中心频率f0处波长),辐射杯半径为0.51λ。天线阵元采用基片架高悬空的形式,以提升天线增益,杯高为8.2 mm。

图1 阵元模型

图2、图3和图4分别给出了该阵元的S参数、方向图和轴比,可以发现,该阵元在fL,f0和fH频率处分别具有8.26 dBi,8.56 dBi和8.49 dBi的增益(fL=0.92f0代表通带下边缘频率,f0代表中心频率,fH=1.03f0代表通带上边缘频率),在整个工作通带内该阵元输入端口回波损耗小于-22.5 dB,隔离度大于14 dB,轴比小于1.3 dB,表明该阵元具有良好的性能。

图2 天线仿真S参数

(a)fL

图4 轴比

1.2 三种布局方式

对于球面相控阵天线,阵元布局是按照一定的间隔均匀分布在每个圈层上,如图5所示。每个圈层对应的仰角为αn,每个圈层上的阵元数目由阵元之间的间距和阵元的物理尺寸决定。设第n圈上的阵元所对应的方位角为βnm,αn和βnm可由以下公式计算[2]:

(1)

图5 球形阵列坐标系及其几何结构

(2)

式中:P是球面圈层的个数;Q(n)是第n圈上的阵元个数。

而对于半球面相控阵天线,其形状相当于在球体中间平面处截断,因此,当波束扫描至90°时波束增益会明显下降。为了解决这一问题,通常采用半球面加柱面的形式,以提高大扫描角度时波束的增益。

本项目中天线阵面共包含32个阵元,根据半球面天线空域覆盖要求以及单个阵元的物理尺寸,将阵元排布在4个圈层,每个圈层的阵元数目分别是4个、8个、10个和10个。单个阵元的法向与球面半径方向一致,阵元之间的间距是0.75λ,λ为中心频率f0所对应的波长。图6给出了一种可能的天线阵元布局形式,其中阵元的指向代表该阵元的法向。设32个阵元可以用相同的方向图函数表示。由于每个阵元的法向方向不同,因此整个阵面的方向图不能直接用单个阵元的方向图乘以阵因子得到,而是需要将单元坐标进行旋转,然后进行电场的叠加[16-17]。

(a)侧视图

球面阵列方向图函数为可表示为

(3)

式中:fi(θ,φ)代表球面阵中第i个阵元的方向图;(xi,yi,zi)代表第i个阵元在直角坐标系中的坐标;(θ0,φ0)代表目标所在方向。由式(3)可以发现,阵元的坐标位置即天线阵列的布局方式对整个天线方向图有重要影响。根据系统指标要求,天线扫描范围方位0°～360°,俯仰0°～102.5°。传统的布局方式通常采用一圈圈同心圆排布,但该布局方式并非具有最佳的天线性能。为了获得最佳性能的天线,本文提出了3种不同的阵元布局方式,如图7所示。通过调整阵元的分布,使得在相同阵元数目和天线口径的条件下,天线具有最佳的G/T值。为便于对比这3种不同布局方式下天线的性能,3种布局方式均采用相同的阵元、相同的阵元间隔和相同的球面直径。

(a) 第一种排布方式

第一种与第二种排布方式的前三圈阵元法向朝向斜上方空域,仅第四圈阵元法向朝向水平方向,在俯仰0°～90°范围内的阵元均匀分布。这两种排布方式的区别在于第二种排布方式对第四圈阵元的位置旋转了半个阵子的角度。第三种排布方式是前两圈阵元的法向朝向斜上方空域,第三、四圈阵元法向都朝向水平方向。与前两种方式相比,该方式提升了天线在水平方向附近的性能。

采用HFSS对上述三种模型进行仿真,然后对天线的G/T值、增益、天空噪温3项指标进行对比。计算的切面为方位角90°,俯仰角0°～102.5°,其中0°天顶方向。

1)增益G

在全空域形成任意方向的波束时,需要对32个阵元进行动态选择。当波束指向与阵元法向之间夹角大于一定角度时,该阵元对整个天线的增益贡献较小,可以忽略,此时就可以不激活该阵元。本项目中以(θ0,φ0)代表波束方向,(θi,φi)代表第i个阵元的法向。当(θ0,φ0)与(θi,φi)之间的夹角小于60°时激活该阵元,否则不激活该阵元,即只激活与波束指向之间夹角小于60°扇形区域内的阵元。另外,由于球表面每个天线单元的辐射朝向、极化朝向均不一致,所以还需通过相位补偿天线几何位置带来的相位不一致[17]。式(4)给出了计算两个向量之间夹角δ的公式,n0代表波束指向向量,n1代表阵元法向向量。式(5)和式(6)分别给出了夹角为δ时对应的波程差以及对应的相位。

(4)

(5)

(6)

3种不同布阵方式下,天线指向不同角度时的增益仿真值如图8所示,可以看出,在大部分俯仰角度内第一种和第二种排布方式的增益比第三种排布方式的增益高,只是在仰角95°附近,第三种排布方式的增益稍高,这是由于该排布方式的第三圈和第四圈阵元都是水平方向辐射的缘故。整体而言,第三种排布方式的增益性能不如前两种排布方式。

图8 3种排列方式指向不同俯仰角度时天线增益对比

图9给出了波束指向102.5°时第一种和第二种排布方式的增益仿真结果对比,可以看出,这两种排布方式的最大增益几乎相同,但第一种排布方式的副瓣在水平方向较高。

(a)方位90°切面

2)天空噪温Ta以及系统噪温TS

天空噪声温度由方向图和环境噪声温度分布的乘积的积分确定:

(7)

式中:G(θ,φ)是天线增益方向图;TS(θ,φ)表示与角度有关的环境黑体辐射。上式表明天线的噪声温度是环境噪声温度的加权平均值。TS随仰角和频率变化的曲线可从文献[1]查得,从中可以绘出fH处天线噪声温度随仰角的变化的曲线,如图10所示。低于水平线角度以下的天空噪温按300 K计算。

图10 频率为fH时天空噪声温度随仰角变化曲线

通信目标的最低仰角为80°,相控阵天线所安装的载荷摇摆角度范围为±22.5°。在大地坐标系中,当天线波束最低指向为80°,载荷摇到22.5°时,波束指向可能会达到102.5°(极坐标系),在0°～80°范围内可以根据指向角度对该空域噪温进行积分;当扫描角度超过80°时(如90°)可以通过坐标旋转[18],将天空噪温分布旋转到低仰角上进行计算。

3种不同布局方式的天空噪温仿真结果如图11所示。从图中可知,第一种排布方式仅在100°仰角附近噪温偏高,在其他角度相对于第二种和第三种排布方式噪温低。第二种和第三种排布方式在65°～90°仰角区间噪温偏高,但是在90°以上的仰角区域噪温较低,其中第二种排布方式是由于第四圈阵元在方位面进行了角度旋转设计,使得低仰角波束对地一侧的副瓣较低的缘故;第三种排布方式主要是因为第三圈和第四圈的阵子水平方向辐射,可以获得较低的副瓣。

图11 3种排列方式天空噪温对比

接收机的噪声包括由天线阵元驻波、馈线失配、滤波器插损、低噪声放大器及其后端接收链路引入的噪声。在本项目中,天线阵元驻波为1.5,由驻波反射带来增益损失和天线阵元失配为

T1=0 K,

(8)

(9)

阵元之后的滤波器插损为0.7 dB,设天线的物理温度为37.7 ℃(310.83 K),由导体损耗计算等效噪声温度可得

T2=(100.7/10-1)×310.83=54.36 K,

(10)

G2=10-0.7/10=0.851。

(11)

考虑馈线驻波1.2,馈线失配的噪声温度为

T3=0 K,

(12)

(13)

接收链路中采用电桥进行圆极化合成,其噪声系数为0.8 dB,转换为噪声温度为

T4=(100.8/10-1)×290=58.66 K。

(14)

设接收机的噪声系数为8 dB,接收链路增益为40 dB,即

T5=(108-1)×290=1539.78 K,

(15)

G4=104=10 000。

(16)

将各级噪声等效到接收机入口处时需考虑设备级联对链路增益的影响,计算如下:

Te1=T1=0 K,

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

因此,接收机入口处总的噪声等效温度可以表示为

TS=Te1+Te2+Te3+Te4+Te5=129.2 K。

(22)

3)G/T值

G/T值是接收系统的一个重要指标,又称为接收系统的品质因素,是接收天线增益G与接收系统噪声等效温度T的比值。G/T值越大,代表接收系统的灵敏度愈高,计算公式为

(23)

3种不同布局方式的天空噪温仿真结果如图12所示,可以看出第二种排布方式的G/T值在绝大部分的俯仰角度范围内,优于其他两种布阵方式的性能。表1给出了3种不同布局方式下天线性能对比,可以看出第二种排布方式的整体性能最优,因此本项目选择第二种排布方式。

表1 3种不同阵元排布方式下天线性能对比

图12 3种排列方式G/T值对比

2 整体仿真

根据前文分析,选择第二种阵元排布方式,经过微调优化之后,得到最终的阵列天线,如图13所示。

图13 半球面相控阵天线

图14给出了在中心频率f0处方向图扫描仿真结果,可以看出当波束从0°～102.5°扫描过程中方向图形状保持良好,主瓣增益波动小于2.5 dB。当扫描角度达到102.5°时旁瓣最高,但与主瓣相差仍大于7.4 dB。另外,随着扫描角度的增加,交叉极化逐渐提高,这是由于该球面相控阵天线的阵元不在同一平面上,造成阵元之间极化有差别。