用于無人機探測的低成本接收多波束陣列設計

西安電子工程研究所 石伯翔 黃 勇

引言

隨著無人機技術的發展，無人機在民用領域得到了普及，但隨之帶來了嚴重的安防問題，不法分子利用無人機實施走私、販毒、投放槍支等違法犯罪活動，嚴重危害社會公共安全。對具有潛在威脅或者已構成實際危害的無人機，常采用干擾技術、誘捕技術、毀傷技術[1]等對其進行反制。本文設計了低成本多波束天線陣列，該陣列采用錐臺結構實現了較大空域的波束覆蓋。俯仰維利用模擬波束合成方法，設計了多層PCB集成多波束板，完成了四饋源形成四波束的任務，通過射頻開關實現了波束選擇的功能，由于在俯仰維采用了模擬波束合成的方法形成了窄波束，在該維度上具有角分辨率；方位維采用數字波束形成方法實現了波束360°掃描。

1.陣列設計

圓柱陣與錐臺陣是兩種典型的可提供方位維360°波束掃描的電控陣列[2]，其結構如圖1、圖2所示。

圖1 錐臺陣Fig.1 Cone array

圖2 圓柱陣Fig.2 Cylindrical array

以圖1、圖2中坐標系為基準，根據文獻[3],錐臺陣與圓柱陣天線方向圖函數如(1)、(2)式，

由于在錐臺陣和圓柱陣中，陣元空間指向不同并且每個陣元在輻射口徑上存在相位差，導致各陣元即使等幅同相激勵，也無法在空間某一固定方向形成最大輻射[4]。若想讓波束指向，必須對陣元進行相位補償。錐臺陣陣元饋電相位如(3)式：

對于圓柱陣，陣元饋電相位如(4)式，

由(7)、(8)式，由于錐臺陣每層圓環半徑各不相同，饋相值與行、列相關，導致錐臺陣的饋相更為復雜。

在方位維上，兩種陣列均可采用開關矩陣或者數字波束形成算法實現360°波束掃描；錐臺陣與圓柱陣相比，其具有一定的傾角α，假設陣列俯仰維最大掃描角（偏離法線）為 θmax，陣列與地面的傾角為α，則俯仰維掃描范圍為：

由式(5)可以看出，在俯仰維錐臺陣比圓柱陣有更大的波束掃描范圍，面向較低假設的探測天線，錐臺陣具有一定的優勢。

圖3 俯仰維多波束單元原理圖Fig.3 Pitch multi-beam principle graph

2.接收多波束形成

俯仰維采用模擬波束合成方法[4]。模擬多波束合成饋電方法有串聯饋電法、并聯饋電法和空間饋電法。本設計中，俯仰維多波束單元采用并聯饋電形式，其原理圖如圖3所示。信號由天線接收后，先由功分器分成四路信號，每路信號由微帶移相線提供饋電相位差，饋相后的信號再由功分器合成輸出，實現四饋源產生四波束的功能，最后由射頻開關對波束進行選擇，從而完成波束在俯仰維上的空域覆蓋。為了在俯仰維覆蓋0°～70°的空域，四個波束分別指向0°、12.5°、27.1°、40.6°；四組波束所需饋相值為0°、40.49°、84.5°、122.76°。

3.多層PCB集成多波束板設計

為了實現俯仰維波束形成，設計了多層PCB集成多波束板。PCB板采用FR4材料，相對介電常數 εr= 4.4，單層板厚h=0.3mm，微帶線寬w=0.5mm，多波束板整體板厚H=1mm，功分器、射頻開關、微帶相位線分別排布在多層PCB板上下表面，板間信號通過通孔進行傳輸。多波束版整體尺寸長度L=203.06mm，上邊長W1=28.63mm,下邊長W2=55.21mm。采用多層PCB結構，布線時充分利用PCB板的空間，微帶線之間距離遠，可以盡量減少微帶線間耦合產生的影響，保證相位精度。相鄰天線單元間的饋電相位差由相位線提供。由傳輸線理論知，電磁波在傳輸線中傳輸，其相位變化與傳輸線長度有關。四組波束饋電相位值對應的相位線長度分別為：Δl1= 0mm，Δl2= 7.2mm、Δl2= 15.3mm，Δl4= 22.3mm。

圖4 陶瓷貼片天線測試結果Fig4 The test results of ceramic patch antenna pattern

4.仿真測試結果

采用內場法對天線單元進行測試。圖4分別為天線方向圖、天線S11和軸比測試結果。從測試結果中可得到，天線法向增益為3.6dBi，天線半功率波束寬度為66°；在整個工作頻段內，天線單元元S11＜-10dB,中心頻點處S11=-37.9dB，端口匹配良好；天線單元軸比帶寬約為16MHz。

搭建遠場測試平臺對俯仰維多波束單元方向圖進行測試，測試結果如圖5所示。圖5(a)中實線表示測試結果，虛線表示仿真結果。測試結果如下，波束1指向0.4°、波束寬度25.4°；波束2指向12.6°、波束寬度25.2°，波束3指向27.1°、波束寬度31.2°，波束4指向40.7°、波束寬度37.8°。

圖5 俯仰維多波束天線單元測試結果Fig10 The test results of pitch multi-beam antenna

從測試結果可以看出，波束指向誤差≤1°，波束在俯仰維可以覆蓋0°～70°的空域。四個波束的波束寬度略有展寬、副瓣電平略有抬高，這是通道中幅相誤差引起的。

5.結論

本文設計了用于無人機探測的多波束陣列，經測試接收天線單元法向增益3.6dBi，工作頻帶內具有良好的匹配。接收天線陣列增益13.9dBi，采用模擬波束合成和數字波束合成相結合的方法，簡化了饋電系統的復雜性、降低了成本并且可形成高速可控的波束。經測試俯仰維多波束單元波束指向誤差≤1°，可覆蓋0°～70°空域范圍；對組陣后的陣列進行了仿真分析，在工作扇區內，波束可覆蓋較大的空域范圍并且具有良好的指向性。