不同增益單元構造的低副瓣稀布陣列優化

李金妍 韓志剛 馬漢清

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部裝備項目管理中心 北京 100071)

0 引言

稀布陣列天線的單元數目較少，在保證窄波束、強方向性等特點的同時，可顯著降低通道數量，在工程應用中具有重要價值。增益和副瓣電平是用來評價陣列天線性能的重要指標，但與同孔徑的滿陣相比，隨著陣元數目的減少，由于副瓣區占據了較多能量，稀布陣的增益顯著降低[1]。

為解決陣列增益降低的問題，本文采用不同增益的單元來實現稀布陣列，通過高增益單元的引入，期望得到遠旁瓣降低的結果，從而在保證副瓣的前提下，提升陣列增益。擬使用的單元為介質棒天線。介質棒天線由介質棒和饋電結構組成，棒體設計成漸變結構，在一定范圍內，介質棒越長，單元增益越高，因此可通過調整介質長度，實現不同的單元增益。

果蠅優化算法[2]是受果蠅覓食名為啟發而提出的一種新型智能全局優化算法，在處理復雜非線性問題時具有參數設置少、容易調節、尋優精度高等特點。如果將介質天線作為陣元進行稀布優化設計，同時優化陣元的分布位置和長度，陣列優化的自由度就會變得很大，利用果蠅優化算法進行優化可獲得高增益、低副瓣的稀布陣列天線。

1 介質棒天線單元

一般介質天線由激勵源和介質棒組成，激勵源設為微帶線，最大輻射方向位于天線軸向。

圖1 介質天線模型圖

圖2 介質天線尺寸圖

為了避免出現高次模，則頂面直徑的取值范圍為

(1)

按照增益最大原則[4]設計的介質棒天線，其頂面和底面的直徑分別為

(2)

(3)

對于滿足式(2)、式(3)的介質棒天線，其增益主要取決于棒體長度L，最佳長度對于滿足的介質天線，最佳長度近似決定于公式(4)條件。

(4)

如果超過這個長度，則會出現抵消性干涉，導致天線增益下降。適當選擇s1和s2的比例，可以將集中在介質區域中的束縛波能量更有效地轉換成在空氣區域中傳播的自由空間波能量。

使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行仿真，中心頻率f=77 GHz，介質材料采用聚苯乙烯，其介電常數εr=2.6。在滿足不產生其他高次模的條件下，盡可能縮小根部直徑D，為后續組陣優化提供更大的自由度，選定D=3.6 mm。在毫米波頻段內天線尺寸較小，考慮到實際加工情況，在不影響方向圖的情況下，選定天線頂部直徑d=1.6 mm。仿真結果如圖3所示，其參數見表1所示。

表1 不同長度L的天線方向圖參數

圖3 長度L不同時介質天線E面方向圖

仿真結果表明，隨著天線長度的增加，增益變大，波束寬度變窄。

2 稀布陣列天線優化

考慮陣元數目N=100對陣面陣綜合問題，第一象限布陣范圍為L×H，其中L=100 mm，H=100 mm。中心頻率為f=77 GHz，為了減少互耦的影響并保證布陣時陣元之間不發生重疊，約束陣元間距dmin不小于1.05倍λ，即4.09 mm。滿陣時陣元數目為2500，則當前稀稀布率為4%。為利用果蠅優化算法對其進行優化，優化變量為陣元位置坐標(x,y)以及介質棒長度L。若優化目標為獲得可視區內峰值旁瓣電平最低的稀布陣列，且考慮在xoy平面內的掃描特性，掃描角為θ0，則優化模型為

(5)

由于陣列關于xy軸對稱，只需要四分之一單元參與到優化過程中對式(5)進行10次運算優化后取最優解，最終得到的陣列位置分布如圖4所示，陣列的切面方向圖如圖5所示，掃描特性見表2所示。對最優陣列進行HFSS仿真，其四分之一仿真陣面排布如圖6所示。

圖4 優化后整陣陣元位置分布

圖5 陣列的切面方向圖

圖6 最優布陣的四分之一陣面的排布

表3 不同陣列的增益比較

對于上述最優布陣，利用積分方法計算其陣列增益為31.92 dB。按照文獻[5]中方法計算可得無方向性點源陣列增益為20.01 dB,可見使用本文方法,增益有顯著提升。

3 結束語

本文介紹了一種從微帶結構直接過渡到介質棒引向天線的結構，通過對介質天線不同結構參數的分析和仿真，可以得出，在一定的增益范圍內可通過控制天線的長度或介質棒直徑實現增益與波束寬度的調整。以該介質棒天線作為陣元，利用果蠅算法對陣元位置及長度進行稀布優化，通過Matlab計算優化后的陣列增益為30.72 dB，相比于相同排布的無方向點源陣列增益提高10.71 dB，各個切面的副瓣電平均低于-20 dB，同時在±15°實現了較好的掃描特性。