用于船舶自动识别系统的机载阵列天线设计*

(1.中国西南电子技术研究所，成都 610036；2.空军驻中国西南电子技术研究所军事代表室，成都 610036)

用于船舶自动识别系统的机载阵列天线设计*

蒋 东**1，李 欣2

(1.中国西南电子技术研究所，成都 610036；2.空军驻中国西南电子技术研究所军事代表室，成都 610036)

为了满足船舶自动识别系统抗干扰性能的要求，设计了一种机载阵列天线。天线阵列由5个单极子天线单元组成，整体尺寸为Φ720 mm×306 mm，天线单元沿圆周均匀排列。通过泰勒分布和牛顿优化算法，优化阵列的辐射幅度及相位，得到实测的方位面增益-15 dB抑制范围达到128°，-20 dB抑制范围达到77°；装机后-15 dB抑制范围在114°以上，-20 dB抑制范围在51°以上。该阵列天线结构简单，成本低，满足机载环境的使用要求。

船舶自动识别系统(AIS)；机载天线设计；阵列天线；单极子天线；抗干扰性能

1 引 言

随着海面船只越来越多,海上电磁环境越来越复杂,对船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)抗干扰性能的要求也越来越高。系统中使用的天线不仅要求具有较高的辐射增益及全方位覆盖能力，而且要对250 km以外的船只具备抗干扰识别能力，这就需要天线在方位面具有较大范围的干扰抑制能力。因此，需要设计一种旁瓣抑制度高的波束可切换天线。

目前，在雷达以及其他系统中大量采用相控阵天线形式，而多数平板相控阵天线增益方向图会随着扫描角的不同而改变。为了保证天线性能，就要增加伺服系统，这样在增加设备的同时，也带来了数据率、稳定性及可靠性下降的问题，从而限制了它在实际工程中的应用。而圆形阵列天线具备平板阵列天线无法比拟的全方位扫描能力，因此，很多学者对其进行了大量理论研究[1-9]：文献[1-2，4，7]利用圆形阵列天线完成方向图主瓣赋形；文献[3]利用加入有向性阵元来提高自适应零点的形成；文献[5]将平面结构超宽频带天线作为圆形阵列单脉冲天线；文献[6]介绍了应用于圆形阵列天线的自适应抗干扰算法；文献[8]介绍了一种圆周排列的定向高增益圆极化天线设计；文献[9]提出了一种稀疏同心圆阵列天线的半径优化算法。但是，上述文献均没有研究圆形阵列天线宽角度旁瓣抑制的方法。为此，本文基于圆周阵列天线对称性好、互耦平衡的优点，运用旁瓣抑制的优化算法，抑制圆形阵列天线的旁瓣和后瓣，达到减少主波束以外宽角度范围干扰的目的。

2 天线要求及方案设计

天线指标要求：方位面增益大于0 dBi的角度≥60°,方位面主旁瓣比小于-15 dB的角度≥100°,方位面主旁瓣比小于-20 dB的角度≥50°。

根据主瓣宽度要求，我们选择圆形阵列天线的圆周直径为0.72 m，阵元数量为5个[10]。将5个工作在超短波频段的单极子天线(A1，A2，…，A5)均匀分布在圆周上，如图 1所示。通过接收模块控制每个天线单元的辐射相位和幅度，即可控制阵列天线的波束指向。

(a)阵列天线三维视图

(b)阵列天线俯视图图1 阵列天线视图Fig.1 The view of the array

圆形阵列天线等间距分布在以o点为圆心、D为直径的圆周上，天线单元A1位于x轴上，各个单元与x轴方向的角度分别为θ1=0°，θ2=72°，θ3=144°，θ4=216°，θ5=288°。

如图2所示，要求阵列天线主波束指向与x轴的夹角为θ的x′轴方向。可以认为每个天线单元辐射的电波射线均与x′平行。可以看出各个天线单元辐射波垂直到达y′轴所经过的波程为di。

图2 天线相位差示意图Fig.2 The view of the array phase shift

由天线理论可知，各个天线单元的移相量分别为

fi=-φi=kdi，i=1,2,…,5 。

(1)

式中：k为自由空间波数。

当各个天线单元的激励幅度为I1,I2,…,I5，方向图为f1(θ),f2(θ),…,f5(θ)，此时天线阵列方向图为5个天线单元方向图的叠加：

(2)

对于幅度加权，先通过泰勒分布[11-12]得到各个天线单元的初步激励幅度,表达式如下：

(3)

式中：

(4)

N为阵列单元个数，

(5)

(6)

(7)

(8)

主、旁瓣幅度比为

R0=10R0dB/20,

(9)

R0dB=-SLL。

(10)

式中：SLL为旁瓣电平值。

表1 幅度加权比例Tab.1 The ratio of the amplitude weighting

由于泰勒分布得到的幅度分布在直线阵中可以很好地抑制旁瓣，而在圆形阵列中这样的幅度分布只能作为初始值，还需要利用三维高频电磁仿真软件(HFSS)中的牛顿优化算法继续进行优化。考虑到上述幅度比例差值在0.4左右，因此，我们在上述激励幅度的±0.2范围内进行优化仿真，得出最终的圆形阵列幅度加权，如表2所示。由于天线单元数量少，天线主波束较宽，我们所取的波束切换指向正好是每个天线单元的分布角度，因此,幅度和相位加权只需要依次轮换即可。

表2 各个天线单元的幅度相位Tab.2 The amplitude-phase of each element

3 实现验证

利用仿真软件对上述阵列天线的设计进行了仿真并加工了实物。天线实物如图3所示。图4给出了高度为300 mm的天线单元仿真和实测的电压驻波比，可以看出实测电压驻波比带宽仅略小于仿真结果。图5为波束指向方位0°时的水平面仿真和实测增益方向图，可以看出仿真和实测方向图很接近，只在方向图后瓣有差异。实测的阵列天线最大增益4.2 dBi，3 dB波束宽度为90°，方向图前后比24 dB；-15 dB旁瓣抑制角度为128°，-20 dB旁瓣抑制角度为77°。由于圆形阵列的对称性，波束指向其他角度的方向图与图5一致。

图3 天线实物图Fig.3 Photo of the array

图4 天线单元电压驻波比Fig.4 VSWR of the antenna element

图5 波束指向方位0°时的水平面增益方向图Fig.5 The horizontal gain pattern when beam direction angle is 0°

对于装机条件而言，很难在飞机腹部找到直径0.72 m左右的平面。因此，必须考虑装机后飞机蒙皮弧面的影响。在本文中，我们考虑直径为4 m的飞机蒙皮弧面，如图6所示。

图6 装机后阵列天线视图Fig.6 The view of the onboard array

可以看出,装机后天线单元并不位于同一水平面上，z方向上的距离差最大为27 mm。同时考虑飞机蒙皮弧面的反射作用，利用仿真软件对幅度值继续进行优化，得到的幅度、相位加权如表3所示。可以看出相位加权和表2一致，只是在幅度加权上有所变化。

表3 装机后各个天线单元的幅度相位Tab.3 Theamplitude-phase of each element onboard

图7给出了波束指向0°、72°、144°时的水平面仿真增益方向图。由于阵列天线关于x轴对称，波束指向216°、288°时的水平面增益方向图与图7已给出的方向图对称。可以看出，由于受到飞机弧形蒙皮的影响，圆形阵列天线水平面最大增益高于平面底板情况下的最大增益。波束指向不同方位时，旁瓣抑制角度也不同。波束指向各个方向时，方位面主瓣波束增益大于0 dBi的角度均大于60°；-15 dB旁瓣抑制角度均大于114°，-20 dB旁瓣抑制角度均大于51°，可以较好地满足AIS系统抗干扰性能的需求。

(a)波束指向方位0°时水平面增益方向图

(b)波束指向方位72°时水平面增益方向图

(c)波束指向方位144°时水平面增益方向图图7 水平面增益方向图Fig.7 The horizontal gain pattern

4 结 论

本文通过泰勒分布和牛顿优化算法优化阵列的辐射幅度加权，使该阵列天线-15 dB抑制范围在114°以上，说明泰勒分布也可以应用于圆形阵列天线的旁瓣抑制。作者利用圆形阵列天线的优点以及合理的优化方法，设计了一种具有较好工程应用前景的阵列天线。该天线结构简单，成本较低，能满足AIS系统对天线抗干扰性能的要求。

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DesignofanAirborneArrayAntennaforAutomaticIdentificationSystem

JIANG Dong1,LI Xin2

(1.Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036,China;2.Military Delegation Office of Air Force for Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In order to meet the anti-interference requirement of automatic identification system (AIS), an airborne array antenna is designed. The array antenna is composed of five monopole antenna elements which are arranged evenly along the circle. The overall size of the antenna is Φ720 mm×306 mm.By means of Taylor distribution and Newton optimization algorithm, the amplitude and phase of radiation are optimized. The measured suppression ranges of the azimuth plane gain of -15 dB and -20 dB reach 28° and 77° respectively. When the antenna is installed on the aircraft, the suppression ranges of the azimuth plane gain of -15 dB and -20 dB reach above 114° and 55° respectively. Meanwhile,the array antenna with simple structure and low cost can meet the requirement of airborne environment.

automatic identification system(AIS);airborne antenna design;array antenna; monopole antenna; anti-interference performance

date:2017-04-21；Revised date：2017-06-16

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.017

蒋东，李欣.用于船舶自动识别系统的机载阵列天线设计[J].电讯技术，2017,57(9):1077-1081.[JIANG Dong,LI Xin.Design of an airborne array antenna for automatic identification system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1077-1081.]

TN82

：A

：1001-893X(2017)09-1077-05

蒋东(1979—)，男，重庆人，2011年获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为航空通信系统电磁兼容设计;

Email:jiangemc@sina.com

李欣(1979—)，女，四川自贡人，2011年获硕士学位，现为工程师，主要从事航空电子产品技术质量管理工作。

2017-04-21；

：2017-06-16

**通信作者：jiangemc@sina.com Corresponding author：jiangemc@sina.com