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抗干擾陣列天線的小型化及波束形成技術(shù)分析

2018-12-07 09:11:46王紫陽(yáng)尹應(yīng)增
關(guān)鍵詞:零陷軸比有源

李 楓,王紫陽(yáng),王 樂(lè),李 蕊,馮 罡,尹應(yīng)增

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071)

隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展,電磁環(huán)境也越加復(fù)雜,無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)常受到其他系統(tǒng)的干擾而導(dǎo)致其性能大幅下降,因此抗干擾技術(shù)的研究具有非常重要的意義[1-2].

設(shè)計(jì)抗干擾陣列天線時(shí),一般都是通過(guò)減小陣列天線單元之間的間距來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列天線的小型化的[3].隨著陣元間距減小,陣元間的互耦會(huì)逐漸變強(qiáng),對(duì)陣列方向圖的波束零陷產(chǎn)生影響,其精度、深度都會(huì)發(fā)生改變.筆者針對(duì)這個(gè)問(wèn)題開(kāi)展研究.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了中心頻率在 1.268 GHz ,陣元間距為0.5λ(120 mm) 的四元抗干擾陣列天線,把孤立單元的方向圖作為陣列方向圖的單元因子,根據(jù)傳統(tǒng)的陣因子理論,從陣列方向圖反推陣因子,然后根據(jù)陣列排布方式推算出陣元相位加權(quán)因子,代入到高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation,HFSS)中仿真,陣列方向圖在(45°,145°)和(45°,220°)干擾方向上形成的方向略有偏差,零深在 -25 dB 左右的零陷.文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了北斗B3頻段的四元抗干擾天線陣,其陣元間距為0.5λ(120 mm),根據(jù)傳統(tǒng)的陣因子理論和自適應(yīng)零陷算法來(lái)形成方向圖零陷,其假定干擾方向?yàn)?(-20°,45°),結(jié)果使得陣列方向圖在θ= -21° 方向上形成 -19 dB 的零陷.文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了中心頻率在 1.575 GHz,陣元間距為0.47λ(90 mm) 的五元全球定位系統(tǒng)(Global Position System,GPS)陣,根據(jù)陣因子理論和陣列布局推導(dǎo)出陣元相位加權(quán)因子,代入到高頻仿真軟件HFSS中進(jìn)行仿真,陣列方向圖在干擾方向(45°,30°)上形成了 -36 dB 的零陷.上述文獻(xiàn)中的波束形成方法都是基于陣因子理論,天線陣列的陣元間距設(shè)計(jì)在0.5λ左右,沒(méi)有考慮陣元間的互耦效應(yīng).

筆者針對(duì)抗干擾陣列天線的小型化及其波束形成技術(shù)開(kāi)展研究,利用數(shù)值分析軟件Matlab和高頻仿真軟件HFSS的聯(lián)合仿真來(lái)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì).文中通過(guò)減小陣列天線單元之間的間距實(shí)現(xiàn)了陣列天線的小型化.從天線陣列單元間的互耦效應(yīng)出發(fā),對(duì)陣列單元的有源阻抗和有源方向圖進(jìn)行了理論分析; 通過(guò)天線陣列設(shè)計(jì)實(shí)例研究了互耦對(duì)陣元的有源駐波和軸比的影響;利用仿真實(shí)例研究了互耦對(duì)陣列方向圖波束形成的影響.相對(duì)于陣因子理論,文中采用有源方向圖疊加來(lái)計(jì)算陣列總場(chǎng),通過(guò)Matlab調(diào)用HFSS進(jìn)行全波仿真分析,利用差分進(jìn)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì),得出最優(yōu)的陣元加權(quán)因子,實(shí)現(xiàn)抗干擾陣列天線的波束零陷.研究結(jié)果表明,文中提出的設(shè)計(jì)方法能夠非常精準(zhǔn)地在干擾方向上形成零陷,并具有較深的零值深度.在多個(gè)干擾方向上進(jìn)行了仿真對(duì)比分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可靠性和準(zhǔn)確性.

1 基本理論分析

互耦效應(yīng)是陣列天線固有的特性之一,是設(shè)計(jì)陣列和分析誤差的重要因素.互耦不僅影響天線陣列的增益和波瓣寬度等電參數(shù),還會(huì)使陣列信號(hào)的相位和幅度發(fā)生改變[7-8].文中通過(guò)減小陣列天線單元之間的間距來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列天線的小型化設(shè)計(jì),然而隨著陣元間距的減小,陣元間的互耦會(huì)逐漸變強(qiáng),陣列的輸入阻抗和輻射方向圖都會(huì)隨之改變.在抗干擾天線陣列的設(shè)計(jì)過(guò)程中,單元數(shù)量直接影響到整個(gè)抗干擾天線陣列的抗干擾性能.一般來(lái)說(shuō),陣元數(shù)量越多,抗干擾天線陣列可以抑制更多方向的干擾信號(hào).文中綜合考慮成本、陣列尺寸和陣列排布,以四元陣為例來(lái)分析互耦對(duì)陣元有源阻抗和有源方向圖的影響.

1.1 有源阻抗

設(shè)計(jì)四元抗干擾天線陣時(shí),基于互耦效應(yīng),對(duì)陣元的有源阻抗匹配進(jìn)行分析.根據(jù)傳輸線理論[9],4個(gè)端口的電壓和電流的關(guān)系可以表示為如下的矩陣形式:

(1)

(2)

1.2 有源方向圖

對(duì)于四元抗干擾天線陣列,天線陣的輻射場(chǎng)可以由4個(gè)陣元的場(chǎng)強(qiáng)疊加出,即

(3)

采用陣因子理論分析陣列方向圖時(shí),不考慮陣元間的互耦效應(yīng),利用單元方向圖疊加來(lái)表示陣列輻射場(chǎng),即單元因子乘以陣因子.式(3)中天線陣列的輻射場(chǎng)可表示為

(4)

有源方向圖是指在天線陣列中,只有1個(gè)陣元被激勵(lì),而其他3個(gè)陣元都接上匹配負(fù)載時(shí)的輻射方向圖[10-12],已考慮了單元間的互耦效應(yīng).式(3)的陣列總場(chǎng)可以表示為4個(gè)陣元有源方向圖的疊加,即

(5)

在抗干擾天線陣列的小型化設(shè)計(jì)過(guò)程中,陣元間互耦隨著陣元間距的減小而變強(qiáng),相對(duì)于孤立單元的方向圖,陣中單元的方向圖最大方向會(huì)發(fā)生偏移.采用陣因子理論的方法來(lái)進(jìn)行波束形成時(shí),陣列總場(chǎng)的計(jì)算不計(jì)入陣元間互耦,方向圖零陷位置會(huì)偏移,零陷的深度也會(huì)發(fā)生改變,影響了抗干擾的性能.而文中的陣列分析方法是利用有源方向圖疊加,已計(jì)入陣元間互耦效應(yīng),能夠準(zhǔn)確地計(jì)算天線陣的陣列總場(chǎng),形成的方向圖零陷位置更精確、零值更深,可以提高陣列的抗干擾性能.

2 天線陣列的小型化設(shè)計(jì)和仿真分析

2.1 天線陣列的小型化設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)右旋圓極化微帶貼片天線單元,中心頻率為 1.268 GHz,采用單點(diǎn)饋電的方式,饋電探針的半徑r1= 0.5 mm.方形輻射貼片位于介質(zhì)基板的上表面,基板選用εr= 10.2,厚度h= 3 mm,損耗角正切是 0.003 5 的正方形介質(zhì),尺寸為 55 mm× 55 mm.在介質(zhì)基板里面加載了3根相同的短路針,短路針到介質(zhì)基板中心的距離相等,長(zhǎng)度h1= 3 mm,半徑r2= 0.5 mm.介質(zhì)基板下表面是尺寸為 70 mm× 70 mm 的地板.微調(diào)后天線單元模型的其他尺寸如表1所示.

表1 單元模型參數(shù)mm

表1中,L是貼片邊長(zhǎng),L1、W1、L2和W2是貼片邊緣的小矩形尺寸,fx和fy是相對(duì)于貼片中心的饋電位置,d是短路針到介質(zhì)基板中心的距離.天線單元的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖圖2 陣列結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)四元抗干擾天線陣列時(shí),一般都選用0.5λ(120 mm)的陣元間距,而文中將陣元間距縮小為0.375λ(90 mm),實(shí)現(xiàn)了陣列天線的小型化設(shè)計(jì).陣列布局采用4個(gè)單元共地板的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

2.2 仿真分析

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的四元抗干擾陣列天線,為研究陣元間互耦以及4個(gè)陣元性能的一致性,對(duì)4個(gè)陣元的有源駐波和軸比進(jìn)行了分析,如圖3和圖4所示.以陣元1為例,又對(duì)孤立單元和陣中單元進(jìn)行了仿真對(duì)比分析,研究了互耦對(duì)陣中單元有源阻抗和有源方向圖的影響,如圖5和圖6所示.

由圖3可知,4個(gè)陣元的有源駐波曲線基本一致.由圖4可知,由于互耦的影響,相鄰陣元的軸比曲線產(chǎn)生偏移,而不相鄰陣元的軸比曲線基本一致.

由圖5可知,孤立單元的駐波帶寬為 56.3 MHz,陣中單元1的有源駐波帶寬為 81.3 MHz,相對(duì)提高了44.4%.由圖6可知,孤立單元的軸比帶寬為 14.1 MHz,陣中單元1的軸比帶寬為 20.1 MHz,相對(duì)提高了約42.6%.仿真結(jié)果表明,在文中設(shè)計(jì)的四元抗干擾天線陣列中,陣元間互耦效應(yīng)對(duì)陣中單元的有源阻抗和有源方向圖產(chǎn)生了很大影響,使陣中單元的有源駐波和軸比獲得了更大的帶寬.

3 波束形成技術(shù)

文中設(shè)計(jì)從陣列分析方法和優(yōu)化方法入手,一方面利用多目標(biāo)多參數(shù)非線性的智能優(yōu)化算法——差分進(jìn)化算法[13-14],另一方面采用更加精確的陣列天線數(shù)值分析方法——有源方向圖疊加.在設(shè)計(jì)中,天線陣列總場(chǎng)的計(jì)算需要對(duì)陣列天線進(jìn)行很多重復(fù)工作,還需要利用差分進(jìn)化算法來(lái)優(yōu)化仿真數(shù)據(jù),而HFSS本身不具備該功能.因此,文中提出了Matlab和HFSS聯(lián)合仿真的設(shè)計(jì)思路: 編制HFSS VBScript腳本程序來(lái)提取陣元的有源方向圖數(shù)據(jù); 在Matlab中編寫基于差分進(jìn)化算法的優(yōu)化計(jì)算程序; 利用Matlab調(diào)用HFSS進(jìn)行全波仿真分析,得出最優(yōu)的相位加權(quán)因子; 在HFSS進(jìn)行有源方向圖疊加來(lái)形成方向圖零陷.

假定干擾方向?yàn)?30°,10°)(θ=30°,φ=10°),文中設(shè)計(jì)的主要過(guò)程分為如下3步:

(1) 在HFSS中提取4個(gè)陣元的有源方向圖數(shù)據(jù),以提取陣中單元1的有源方向圖數(shù)據(jù)為例,首先提取陣中單元1在φ= 10°方向上輻射電場(chǎng)的兩個(gè)分量Eθ1和Eφ1,兩個(gè)分量分別用其實(shí)部、虛部合成表示,所以陣中單元1需要提取4組數(shù)據(jù): Re(Eθ1)、Im(Eθ1)、Re(Eφ1)和Im(Eφ1).上述工作都是通過(guò)編制HFSS VBScript腳本程序?qū)崿F(xiàn)的.陣列的輻射總場(chǎng)E(θ,φ)可以表示為

其中,Ei(θ,φ)(i=1,2,3,4)為第i個(gè)陣元的輻射場(chǎng),αi為第i個(gè)陣元的相位加權(quán)因子.

(2) 在Matlab中編寫了基于差分進(jìn)化算法的優(yōu)化計(jì)算程序,對(duì)最優(yōu)的相位加權(quán)因子αi進(jìn)行搜索,使得四元抗干擾陣列天線的方向圖在(30°,10°)方向上形成期望的零陷.其中優(yōu)化算法中目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)思路為

fitness=U(F0(θ)-Fd(θ)) [b|N-D|] ,

(10)

其中,F(xiàn)0(θ)和Fd(θ)分別是優(yōu)化得到的當(dāng)前方向圖和期望方向圖,N是當(dāng)前零陷的零值深度,D是與N相對(duì)應(yīng)的期望值,b為加權(quán)系數(shù).

(3) 在HFSS中,將最優(yōu)相位加權(quán)因子αi代入陣元i的激勵(lì)相位,通過(guò)陣列方向圖的仿真來(lái)驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)方法的正確性.

對(duì)兩種波束形成方法進(jìn)行仿真對(duì)比分析,當(dāng)干擾方向?yàn)?30°,10°)時(shí),采用陣因子理論的仿真結(jié)果如圖7所示,采用文中設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如圖8所示.

從圖7可以看出,干擾方向?yàn)?30°,10°)時(shí),采用陣因子理論的仿真結(jié)果中,陣列方向圖零陷方向?yàn)?8°,10°),偏移了22°,零陷深度也只有 -27 dB.從圖8可以看出,干擾方向?yàn)?30°,10°)時(shí),采用文中設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果中,陣列方向圖能準(zhǔn)確地在其干擾方向上形成零陷,零深能達(dá)到 -59 dB.

表2給出了針對(duì)不同的干擾方向,采用陣因子理論的仿真結(jié)果.表3給出了針對(duì)不同的干擾方向,采用文中設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果.

表2 采用陣因子理論的仿真結(jié)果

表3 采用文中設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果

從表2可以看出,當(dāng)干擾方向?yàn)?60°,10°)時(shí),采用陣因子理論的仿真結(jié)果中,陣列方向圖零陷方向?yàn)?31°,10°),偏移了29°,零深只有 -17 dB.在其他幾個(gè)干擾方向的仿真結(jié)果中,陣列方向圖零陷方向都發(fā)生了偏移,零陷深度也都較淺.從表3可以看出,采用文中設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果中,陣列方向圖都能準(zhǔn)確地在其干擾方向上形成零陷,零深也相對(duì)較深.例如,在(20°,10°)方向上形成 -55 dB 的零深,在(60°,10°)方向上形成 -60 dB 的零深.

仿真結(jié)果表明,文中設(shè)計(jì)的四元抗干擾天線陣列,由于陣元間的互耦效應(yīng),陣因子理論的方法在其波束形成過(guò)程中已不可靠,而文中提出的聯(lián)合仿真的設(shè)計(jì)方法能夠非常精準(zhǔn)地在干擾方向上形成零陷,并具有較深的零值深度.由于計(jì)入互耦效應(yīng),該設(shè)計(jì)方法可以適用于任意陣元間距、任意陣列結(jié)構(gòu)的抗干擾天線陣列.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

文中基于四元抗干擾天線陣的互耦效應(yīng),對(duì)陣元的有源阻抗和有源方向圖進(jìn)行了理論分析.通過(guò)減小陣列天線單元之間的間距實(shí)現(xiàn)了陣列天線的小型化設(shè)計(jì),并研究了互耦對(duì)陣元的有源駐波和軸比的影響.通過(guò)Matlab調(diào)用HFSS進(jìn)行全波仿真分析,利用差分進(jìn)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì),得出最優(yōu)的陣元加權(quán)因子來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列天線的波束零陷,并從仿真實(shí)例上分析了互耦對(duì)陣列方向圖波束零陷的影響.結(jié)果表明,文中提出的設(shè)計(jì)方法能夠非常精準(zhǔn)地在干擾方向上形成零陷,提高了方向圖零陷的精度和深度,改善了抗干擾天線陣列的波束形成.文中的研究為抗干擾陣列波束形成提供了很好的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了其正確性,對(duì)抗干擾陣列天線的設(shè)計(jì)提供了保障.

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