基于連續波干涉儀系統的高隔離度天線

權雙龍, 王 昊, 徐達龍, 井家明, 朱 碩

(南京理工大學電子工程與光電技術學院, 江蘇 南京 210094)

0 引 言

小型連續波雷達具有體積小、功耗低、功能強、全天候、高分辨等優點,應用前景廣泛,是當前研究的熱點。相位干涉儀測向體制具有測向精度高、覆蓋范圍寬、測向速度快等優點,被廣泛應用。收發天線隔離度是連續波干涉儀系統的關鍵指標,直接決定了系統的探測性能。

微帶收發天線間的耦合由兩部分組成:表面波和空間波。其中,由微帶收發天線副瓣產生經空間直線傳播的電磁波,稱為空間波;由微帶介質板引導在介質板表面傳播的電磁波,稱為表面波。對于空間波抑制法主要包括:增加天線收發間距、加載隔離板等。對于表面波抑制法主要包括:鋪設吸波材料、開設扼流槽、蝕刻缺陷地結構(defective ground structure,DGS)、加載電磁帶隙結構(electromagnetic band gap structure, EBG)等。

2016年,Wahab等人設計了一款工作于9～9.6 GHz、收發天線均為5×4元的陣列,通過優化副瓣電平和收發天線間空氣間隙距離,將隔離度提高至77 dB以上,但其并未設計固定收發天線的安裝板、同時未考慮安裝板所帶來的表面波耦合及方向圖畸變。2016年,Hafezifard等人采用超材料基板來降低收發天線的耦合,在收發天線較近距離時獲得了46 dB的隔離度,不過其工作帶較窄,且天線結構復雜。2017年至2020年間,一些文獻通過在收發天線之間加載平面形式或者垂直形式的隔離器、諧振器、超材料結構、寄生結構等方法來降低收發天線之間的互耦,但由于這種形式具有一定的頻率選擇性,因此往往工作帶寬較窄。2018年,Lin等人基于基片集成波導(substrate integrated waveduide, SIW)設計了一款工作于10.22～10.45 GHz的多發多收(multiple input multiple output, MIMO)天線陣列,收發天線隔離度達到了75 dB,但這得益于其較低的副瓣電平,同時SIW相比微帶天線加工成本更高。2018年,Adela等人通過在57～64 GHz的微帶收發天線之間加載蘑菇狀EBG結構,使得隔離度相比之前提高了15～20 dB,但其隔離度也僅為40 dB。2019年,周旭等人采用減小收發天線的互耦法和吸收法,將工作于X波段的波導縫隙收發天線的隔離度提高至100 dB,但其所采用隔板極高,大大增加了天線的高度尺寸。2021年,Da等人在天線上方加載介電覆層結構,利用該結構產生反射波以對消耦合波,通過該方法來減少天線陣元之間的互耦,但加載介電覆層的天線陣列結構復雜,不利于工程化使用。

本文所設計微帶收發天線,具有重量輕、易加工、易集成等優點,在綜合考慮干涉儀布陣要求和系統尺寸要求下,在發射功率為10 dBm時,整個頻段內的隔離度達到了76 dB,非常適用于干涉儀體制的連續波雷達系統。

1 微帶天線設計

1.1 微帶串饋陣列設計

如圖1所示,是所設計的微帶陣列(收發一致),采用了Rogers R04003板材,厚度1 mm;4個微帶單元的寬度分別為9.5 mm、11.5 mm、11.5 mm和9.5 mm,貼片單元間距為16 mm。采用了中心串饋的方式以減小傳輸線的損耗、同時展寬帶寬。圖2和圖3是天線實測結果。

圖1 微帶天線陣列Fig.1 Microstrip antenna array

圖2 實測反射系數S11及增益頻響Fig.2 Measured reflection coefficient S11 and gain frequency response

圖3 天線10 GHz實測方向圖Fig.3 Measured pattern of the antenna at 10 GHz

1.2 天線布陣設計

采用干涉儀體制測向時,為實現寬覆蓋范圍內無測角模糊以及高精度測角,通常采用多基線測角方式,即由短基線實現寬覆蓋范圍,長基線保證測向精度。測向原理如圖4所示。其中，、、表示各基線長度，表示目標入射角。

圖4 多基線干涉儀測向示意圖Fig.4 Direction finding schematic diagram of multi-baseline interferometer

根據干涉儀工作原理,設計了一種L型布陣,如圖5所示。天線T為發射天線,R1～R5為接收天線。其中R1～R3、R3～R5分別為方位維和俯仰維長基線,確保系統實現較高測角精度;R2～R3、R3～R4分別為方位維和俯仰維短基線,解測向模糊,保證系統在前半空域內無模糊。由布陣設計可算出,該布陣在(-70°,70°)范圍內無測向模糊,測向精度約為0.5°。

圖5 天線布陣示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna layout

按照此布陣要求,所設計天線實物如圖6所示,在發射功率為10 dBm時,經測試收發天線之間隔離度如表1所示,在10 GHz頻點上，5號子陣隔離度最差約為52 dB。

圖6 天線實物圖Fig.6 Antenna picture

表1 天線隔離度Table 1 Antenna isolation dB

2 收發天線隔離度優化

2.1 優化收發天線布局

當介質基片比較薄,收發天線距離較近時,表面波和空間波都會在較大程度上影響收發隔離度。因此在設計收發天線時,應在尺寸可以接受的范圍內盡可能增大收發天線間距;同時,要綜合考慮收發天線的方向圖特性,降低空間波耦合帶來的隔離度惡化影響。

在現有的天線布局中,由于方位維(H面)的波束寬度較寬,因此除了盡量將收發天線遠離以外,還應盡量避免收發天線在方位維的重疊,這會使得發射天線所輻射電磁波以空間波形式大量耦合進入接收天線,惡化收發隔離度。為了提升隔離度,可以在方位維適當錯開收發天線,在不改變收發天線整體尺寸的情況下,重新進行布局,優化空間波影響,從而提升隔離度。

空間波耦合強度方程為

式中:、是分別是發射天線、接收天線的空間波增益;為收發天線間距。

由于收發天線間距調整有限,因此降低空間波增益、是降低空間波耦合的有效措施。圖7是天線子陣(收、發所使用子陣一致)在10 GHz處的三維方向圖在其傳播方向法平面上的截面圖，因此為降低空間波增益，宜使收發天線盡量處于圖中-25°～25°或-155°～155°區域(圖中0°表示沿子陣陣列方向)。綜合考慮布局、口徑尺寸等因素，最終優化的天線布局如圖8所示，天線照片如圖9所示。對新布局下的天線進行測試，發射功率同樣設置為10 dBm，在10 GHz處，測得隔離度最差約為60 dB，隔離度約提升8 dB。

圖7 天線方向圖Fig.7 Antenna pattern

圖8 新布局Fig.8 New layout

圖9 天線照片Fig.9 Antenna picture

2.2 加載金屬隔離板

加載金屬擋板是一種空間波抑制方法,通過一定高度的隔離板來阻斷電磁波在空間上的傳播,這是一種工程中比較常用且有效的方法。由于這種方式較難進行解析分析,因此通常采用試驗法,通過多次嘗試確定金屬擋板的位置和尺寸。但是,加載金屬隔離板也會帶來一些問題。首先,隔離板過高會影響天線方向圖,使波束出現偏頭等畸變現象;其次,表面波還會通過金屬隔離板進行傳播,從而影響隔離效果;此外,隔離板的存在還會增大系統的高度尺寸和重量。在本方案中,隔離板采用密度較小的鋁板。由于在此仿真與實測結果誤差較大,因此對于該優化措施,主要通過大量配裝、測試試驗進行,最終3塊隔板尺寸如圖10所示。

圖10 加載金屬隔離板后天線實物圖Fig.10 Antenna picture after loading the metal isolation board

發射功率設置為10 dBm,對收發隔離度進行測試,測得5個子陣的收發隔離度在10 GHz處最低約為70 dB。通過加擋板阻隔空間波的方式,可以將隔離度約提升10 dB。

2.3 鋪設吸波材料

加載金屬擋板是一種空間波抑制方法,通過一定高度的隔離板來阻斷電磁波在空間上的傳播。當天線安裝在金屬框架內時,天線收發的微波能量一部分與框架產生的感應生成表面波電流,惡化了收發天線的隔離,一部分通過金屬表面的反射形成多徑反射,惡化了天線方向圖。吸波材料能吸收或者大幅度減弱投射到其表面的電磁波能量,在金屬框架表面安裝微波吸波材料可以有效吸收其表面的電磁波能量,減少金屬表面的表面波電流與金屬表面反射形成的多徑反射,從而改善天線的隔離度和方向圖。鋪設吸波材料具有成本低、安裝方便等一些優點,但是為了較好改善收發天線間隔離度,一般需要在天線周圍鋪設較厚的吸波材料,這在一定程度上增大了系統的整體體積和重量。

如圖11所示,本方案對收發天線之間的金屬表面均鋪設了X波段的吸波材料。所鋪設吸波材料為大連東信微波吸收材料有限公司的RAT-10G -1.7MM型號材料,該材料垂直入射最大反射率在10 GHz處為-17 dB。鋪設后,在發射功率為10 dBm時,測得5個子陣的收發隔離度在10 GHz處最低約為79 dB,隔離度約改善了9 dB。

圖11 鋪設吸波材料后天線實物圖Fig.11 Antenna picture after laying the absorbing material

2.4 優化結果

相比參考文獻中幾款收發天線的不足之處,本文在設計優化時均進行了改進,具體改進說明如表2所示。

表2 對幾款天線的改進Table 2 Improvements to several antennas

圖12給出了優化收發天線布局、加載金屬隔離板、鋪設吸波材料等方式后系統收發隔離度在10 GHz處的改善情況。可以看出,各優化方式均對系統隔離度有所改善,且5個子陣具有良好的一致性。最終,在3種方式綜合下,系統收發隔離度由52 dB提高至79 dB,具有明顯的改善效果。

圖12 隔離度優化對比Fig.12 Comparison of isolation optimization

表3是基于圖11模型不同頻率的隔離度測試數據,可以看出,在整個頻帶內隔離度具有較好的一致性。此外,由于收發天線為無源器件,因此測試時發射功率對隔離度無影響。

表3 隔離度測試結果Table 3 Isolation test results

圖13給出了最終各天線子陣曲線與原子陣曲線的對比圖。天線底板及相關優化隔離度措施對影響有限,部分子陣的惡化更多因素來自于加工裝配的一致性。

圖13 各子陣S11曲線對比Fig.13 S11 curve comparison of each sub-array

在本干涉儀系統中,由于各接收子陣獨立工作,無需陣列合成,因此僅給出各子陣的測試結果。圖14給出了優化前后E面方向圖在10 GHz處的對比情況。由于E面方向圖一致性較好,因此僅給出發射子陣與原子陣的對比圖。對比可知,上述操作天線底板和優化隔離度操作對E面方向圖的影響較小。

圖14 優化前后E面方向圖對比Fig.14 Comparison of E-plane pattern before and after optimization

圖15給出了天線在優化隔離度前、后在10 GHz頻點處在10 GHz頻點處H面方向圖的對比情況。根據圖15(a)可知,相比優化前,接收子陣1、接收子陣3、接收子陣4的方向圖受影響較小,這主要是因為這些子陣距離金屬隔板較遠、受金屬隔板影響較小。根據圖15(b)可知,發射子陣、接收子陣2、接收子陣5的方向圖形狀畸變較為明顯,這是因為其距離金屬隔板較近,受到了金屬隔板所反射的電磁波的影響。金屬隔板與天線底板形成了類似于腔體的反射面,將子陣增益提高了約0.5 dB,但也使得子陣波束出現偏頭、變窄現象。

圖15 優化前后H面方向圖對比Fig.15 Comparison of H-plane pattern before and after optimization

3 結 論

本文在兼顧考慮陣面尺寸以及測向精度的情況設計了一種工作于X波段的L型布陣收發天線,通過優化天線布局、加載金屬擋板以及鋪設吸波材料的方法,有效地提高了收發天線隔離度,最終測試隔離度在79 dB以上。但同時,靠近金屬隔板的天線子陣方向圖也受到一定影響,出現了一定程度的畸變。

常用的提升收發天線隔離度的方法還有開設扼流槽、蝕刻DGS、加載EBG等,綜合上述方法,收發天線隔離度有望得到進一步提高。此外,天線罩對隔離度的影響也有待深入探索。