基于连续波干涉仪系统的高隔离度天线

权双龙, 王 昊, 徐达龙, 井家明, 朱 硕

(南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094)

0 引 言

小型连续波雷达具有体积小、功耗低、功能强、全天候、高分辨等优点,应用前景广泛,是当前研究的热点。相位干涉仪测向体制具有测向精度高、覆盖范围宽、测向速度快等优点,被广泛应用。收发天线隔离度是连续波干涉仪系统的关键指标,直接决定了系统的探测性能。

微带收发天线间的耦合由两部分组成:表面波和空间波。其中,由微带收发天线副瓣产生经空间直线传播的电磁波,称为空间波;由微带介质板引导在介质板表面传播的电磁波,称为表面波。对于空间波抑制法主要包括:增加天线收发间距、加载隔离板等。对于表面波抑制法主要包括:铺设吸波材料、开设扼流槽、蚀刻缺陷地结构(defective ground structure,DGS)、加载电磁带隙结构(electromagnetic band gap structure, EBG)等。

2016年,Wahab等人设计了一款工作于9～9.6 GHz、收发天线均为5×4元的阵列,通过优化副瓣电平和收发天线间空气间隙距离,将隔离度提高至77 dB以上,但其并未设计固定收发天线的安装板、同时未考虑安装板所带来的表面波耦合及方向图畸变。2016年,Hafezifard等人采用超材料基板来降低收发天线的耦合,在收发天线较近距离时获得了46 dB的隔离度,不过其工作带较窄,且天线结构复杂。2017年至2020年间,一些文献通过在收发天线之间加载平面形式或者垂直形式的隔离器、谐振器、超材料结构、寄生结构等方法来降低收发天线之间的互耦,但由于这种形式具有一定的频率选择性,因此往往工作带宽较窄。2018年,Lin等人基于基片集成波导(substrate integrated waveduide, SIW)设计了一款工作于10.22～10.45 GHz的多发多收(multiple input multiple output, MIMO)天线阵列,收发天线隔离度达到了75 dB,但这得益于其较低的副瓣电平,同时SIW相比微带天线加工成本更高。2018年,Adela等人通过在57～64 GHz的微带收发天线之间加载蘑菇状EBG结构,使得隔离度相比之前提高了15～20 dB,但其隔离度也仅为40 dB。2019年,周旭等人采用减小收发天线的互耦法和吸收法,将工作于X波段的波导缝隙收发天线的隔离度提高至100 dB,但其所采用隔板极高,大大增加了天线的高度尺寸。2021年,Da等人在天线上方加载介电覆层结构,利用该结构产生反射波以对消耦合波,通过该方法来减少天线阵元之间的互耦,但加载介电覆层的天线阵列结构复杂,不利于工程化使用。

本文所设计微带收发天线,具有重量轻、易加工、易集成等优点,在综合考虑干涉仪布阵要求和系统尺寸要求下,在发射功率为10 dBm时,整个频段内的隔离度达到了76 dB,非常适用于干涉仪体制的连续波雷达系统。

1 微带天线设计

1.1 微带串馈阵列设计

如图1所示,是所设计的微带阵列(收发一致),采用了Rogers R04003板材,厚度1 mm;4个微带单元的宽度分别为9.5 mm、11.5 mm、11.5 mm和9.5 mm,贴片单元间距为16 mm。采用了中心串馈的方式以减小传输线的损耗、同时展宽带宽。图2和图3是天线实测结果。

图1 微带天线阵列Fig.1 Microstrip antenna array

图2 实测反射系数S11及增益频响Fig.2 Measured reflection coefficient S11 and gain frequency response

图3 天线10 GHz实测方向图Fig.3 Measured pattern of the antenna at 10 GHz

1.2 天线布阵设计

采用干涉仪体制测向时,为实现宽覆盖范围内无测角模糊以及高精度测角,通常采用多基线测角方式,即由短基线实现宽覆盖范围,长基线保证测向精度。测向原理如图4所示。其中，、、表示各基线长度，表示目标入射角。

图4 多基线干涉仪测向示意图Fig.4 Direction finding schematic diagram of multi-baseline interferometer

根据干涉仪工作原理,设计了一种L型布阵,如图5所示。天线T为发射天线,R1～R5为接收天线。其中R1～R3、R3～R5分别为方位维和俯仰维长基线,确保系统实现较高测角精度;R2～R3、R3～R4分别为方位维和俯仰维短基线,解测向模糊,保证系统在前半空域内无模糊。由布阵设计可算出,该布阵在(-70°,70°)范围内无测向模糊,测向精度约为0.5°。

图5 天线布阵示意图Fig.5 Schematic diagram of antenna layout

按照此布阵要求,所设计天线实物如图6所示,在发射功率为10 dBm时,经测试收发天线之间隔离度如表1所示,在10 GHz频点上，5号子阵隔离度最差约为52 dB。

图6 天线实物图Fig.6 Antenna picture

表1 天线隔离度Table 1 Antenna isolation dB

2 收发天线隔离度优化

2.1 优化收发天线布局

当介质基片比较薄,收发天线距离较近时,表面波和空间波都会在较大程度上影响收发隔离度。因此在设计收发天线时,应在尺寸可以接受的范围内尽可能增大收发天线间距;同时,要综合考虑收发天线的方向图特性,降低空间波耦合带来的隔离度恶化影响。

在现有的天线布局中,由于方位维(H面)的波束宽度较宽,因此除了尽量将收发天线远离以外,还应尽量避免收发天线在方位维的重叠,这会使得发射天线所辐射电磁波以空间波形式大量耦合进入接收天线,恶化收发隔离度。为了提升隔离度,可以在方位维适当错开收发天线,在不改变收发天线整体尺寸的情况下,重新进行布局,优化空间波影响,从而提升隔离度。

空间波耦合强度方程为

式中:、是分别是发射天线、接收天线的空间波增益;为收发天线间距。

由于收发天线间距调整有限,因此降低空间波增益、是降低空间波耦合的有效措施。图7是天线子阵(收、发所使用子阵一致)在10 GHz处的三维方向图在其传播方向法平面上的截面图，因此为降低空间波增益，宜使收发天线尽量处于图中-25°～25°或-155°～155°区域(图中0°表示沿子阵阵列方向)。综合考虑布局、口径尺寸等因素，最终优化的天线布局如图8所示，天线照片如图9所示。对新布局下的天线进行测试，发射功率同样设置为10 dBm，在10 GHz处，测得隔离度最差约为60 dB，隔离度约提升8 dB。

图7 天线方向图Fig.7 Antenna pattern

图8 新布局Fig.8 New layout

图9 天线照片Fig.9 Antenna picture

2.2 加载金属隔离板

加载金属挡板是一种空间波抑制方法,通过一定高度的隔离板来阻断电磁波在空间上的传播,这是一种工程中比较常用且有效的方法。由于这种方式较难进行解析分析,因此通常采用试验法,通过多次尝试确定金属挡板的位置和尺寸。但是,加载金属隔离板也会带来一些问题。首先,隔离板过高会影响天线方向图,使波束出现偏头等畸变现象;其次,表面波还会通过金属隔离板进行传播,从而影响隔离效果;此外,隔离板的存在还会增大系统的高度尺寸和重量。在本方案中,隔离板采用密度较小的铝板。由于在此仿真与实测结果误差较大,因此对于该优化措施,主要通过大量配装、测试试验进行,最终3块隔板尺寸如图10所示。

图10 加载金属隔离板后天线实物图Fig.10 Antenna picture after loading the metal isolation board

发射功率设置为10 dBm,对收发隔离度进行测试,测得5个子阵的收发隔离度在10 GHz处最低约为70 dB。通过加挡板阻隔空间波的方式,可以将隔离度约提升10 dB。

2.3 铺设吸波材料

加载金属挡板是一种空间波抑制方法,通过一定高度的隔离板来阻断电磁波在空间上的传播。当天线安装在金属框架内时,天线收发的微波能量一部分与框架产生的感应生成表面波电流,恶化了收发天线的隔离,一部分通过金属表面的反射形成多径反射,恶化了天线方向图。吸波材料能吸收或者大幅度减弱投射到其表面的电磁波能量,在金属框架表面安装微波吸波材料可以有效吸收其表面的电磁波能量,减少金属表面的表面波电流与金属表面反射形成的多径反射,从而改善天线的隔离度和方向图。铺设吸波材料具有成本低、安装方便等一些优点,但是为了较好改善收发天线间隔离度,一般需要在天线周围铺设较厚的吸波材料,这在一定程度上增大了系统的整体体积和重量。

如图11所示,本方案对收发天线之间的金属表面均铺设了X波段的吸波材料。所铺设吸波材料为大连东信微波吸收材料有限公司的RAT-10G -1.7MM型号材料,该材料垂直入射最大反射率在10 GHz处为-17 dB。铺设后,在发射功率为10 dBm时,测得5个子阵的收发隔离度在10 GHz处最低约为79 dB,隔离度约改善了9 dB。

图11 铺设吸波材料后天线实物图Fig.11 Antenna picture after laying the absorbing material

2.4 优化结果

相比参考文献中几款收发天线的不足之处,本文在设计优化时均进行了改进,具体改进说明如表2所示。

表2 对几款天线的改进Table 2 Improvements to several antennas

图12给出了优化收发天线布局、加载金属隔离板、铺设吸波材料等方式后系统收发隔离度在10 GHz处的改善情况。可以看出,各优化方式均对系统隔离度有所改善,且5个子阵具有良好的一致性。最终,在3种方式综合下,系统收发隔离度由52 dB提高至79 dB,具有明显的改善效果。

图12 隔离度优化对比Fig.12 Comparison of isolation optimization

表3是基于图11模型不同频率的隔离度测试数据,可以看出,在整个频带内隔离度具有较好的一致性。此外,由于收发天线为无源器件,因此测试时发射功率对隔离度无影响。

表3 隔离度测试结果Table 3 Isolation test results

图13给出了最终各天线子阵曲线与原子阵曲线的对比图。天线底板及相关优化隔离度措施对影响有限,部分子阵的恶化更多因素来自于加工装配的一致性。

图13 各子阵S11曲线对比Fig.13 S11 curve comparison of each sub-array

在本干涉仪系统中,由于各接收子阵独立工作,无需阵列合成,因此仅给出各子阵的测试结果。图14给出了优化前后E面方向图在10 GHz处的对比情况。由于E面方向图一致性较好,因此仅给出发射子阵与原子阵的对比图。对比可知,上述操作天线底板和优化隔离度操作对E面方向图的影响较小。

图14 优化前后E面方向图对比Fig.14 Comparison of E-plane pattern before and after optimization

图15给出了天线在优化隔离度前、后在10 GHz频点处在10 GHz频点处H面方向图的对比情况。根据图15(a)可知,相比优化前,接收子阵1、接收子阵3、接收子阵4的方向图受影响较小,这主要是因为这些子阵距离金属隔板较远、受金属隔板影响较小。根据图15(b)可知,发射子阵、接收子阵2、接收子阵5的方向图形状畸变较为明显,这是因为其距离金属隔板较近,受到了金属隔板所反射的电磁波的影响。金属隔板与天线底板形成了类似于腔体的反射面,将子阵增益提高了约0.5 dB,但也使得子阵波束出现偏头、变窄现象。

图15 优化前后H面方向图对比Fig.15 Comparison of H-plane pattern before and after optimization

3 结 论

本文在兼顾考虑阵面尺寸以及测向精度的情况设计了一种工作于X波段的L型布阵收发天线,通过优化天线布局、加载金属挡板以及铺设吸波材料的方法,有效地提高了收发天线隔离度,最终测试隔离度在79 dB以上。但同时,靠近金属隔板的天线子阵方向图也受到一定影响,出现了一定程度的畸变。

常用的提升收发天线隔离度的方法还有开设扼流槽、蚀刻DGS、加载EBG等,综合上述方法,收发天线隔离度有望得到进一步提高。此外,天线罩对隔离度的影响也有待深入探索。