苗祥斌，王伟健*，姚 雷，王 鹏
(连云港市气象局，江苏 连云港222000)
准确而及时的气象信息是进行气象预测的基础，也是应对各种突发性气象事件的前提条件。获取气象信息的重要手段之一是智能气象监测系统，目前我国的智能气象监测系统基本可以满足行业的需求，但与国外相比还存在较大的差距，有很大的发展空间。在众多气象信息的检测中，温湿度监控作为重要的组成部分，关系到工业、农业的生产和人类日常生活中的方方面面[1]-[3]。因此各类环境下的温湿度进行实时监控显得越来越重要。由于传统的有线温湿度监控存在着受环境限制、维护困难和维修成本较高、功耗较高、布线复杂等诸多缺点，在很多场合都难以符合实际的需求。这就需要一种分布自由、易于维护、能耗低、可监控范围广，而且能对温湿度进行实时监控的无线解决方案[4]。
信息化时代的发展推动了物联网的建立，也推动了气象监测网络的更新换代。物联网是应用通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物品等通过新的方式联系在一起，实现信息化、智能化和远程监控管理的网络[5，6]。无线传感器网络一直是重要的研究领域，现代化的气象监测网络是一种由大量自组织型节点组成的无线网络，主要对环境的温湿度等各类气象要素的变化进行实际监控。
目前常见的实现多波束扫描的方法有微波透镜、抛物面天线和阵列天线等[7-10]，利用超材料表面改变电磁波相位可同时获得多个波束，但无法灵活变换辐射状态。如果双模天线作为收发射天线进行数据的接收与传输，通过模式的切换，则可以实现高能量传输效率。目前双模阵列天线的研究主要局限在对不确定的目标的无线传输的情况上，现有的全向天线共和定向天线只能一种辐射模式。因此，多种辐射模式的阵列天线技术的研究对现代化气象监测的发展十分重要。
2.1 天线结构
印刷偶极子天线常用于线阵和平面阵列中，条带状双臂臂长决定印刷偶极子的工作频率。由于介质基板的存在，其双臂臂长与传统的半波偶极子相比较短。因此，通过选择不同介电常数的基板，可以达到缩短臂长，进一步实现天线小型化的目的。两个臂的臂宽影响印刷偶极子的带宽。印刷偶极子本身带宽较窄，相对带宽一般不超过10%，通过适当地增加臂宽会在一定程度上展宽印刷偶极子的带宽。除此之外，增加基板的厚度也可以实现更宽的匹配带宽。
为了减小天线尺寸，充分利用基板空间，选择圆弧形偶极子作为天线单元，八个相同单元均匀分布在圆形基板上，如图1所示。基板材料为FR4(厚度为1.6mm、介电常数为4.4、损耗角正切为0.02)。通过在基板中心放置圆环反射器，提高天线在多向端射模式下各个方向上的性能。在HFSS仿真软件中建模并进行优化，得到具体结构参数为：R1=80mm、R2=76mm、R3=44mm、R4=17mm、R5=15mm，圆环和偶极子的宽度设为2mm圆弧偶极子的形状虽然改变，但是电长度没有改变，单臂仍约为1/4波长(30.5mm)。
图1 八单元偶极子天线阵列
2.2 加权功率传输最优化方法
为了在多个目标方向同时形成多个波束，在需要产生波束的方向放置与发射天线单元同样尺寸的接收天线，与所设计的阵列天线一起构成一个无线功率传输系统，如图2所示。
图2 功率传输系统
无线功率系统由一个八单元发射天线和四个偶极子接收天线组成，可以看作一个十二端口网络，其性能可由散射参数表征[11-14]。散射参数可以通过HFSS仿真软件得到。传输效率用E表示
(1)
为了使得每个波束增益可调，引入对角矩阵[W]=diag(w1，w2，…，w4)对系统中的[br]进行加权。假定整个系统是匹配的，若传输系统的效率达到最大，由等式(1)可以得到如下特征值方程[15-17]
[A′][at]=E[at]
(2)
其中
[Srt]为散射子矩阵。方程(2)中的最大特征值，即为传输效率E的最大值，此时得到的特征向量[at]就是整个系统传输效率最大时发射天线的最佳激励分布。
2.3 射频电路设计
为实现多种工作模式切换，设计了一款射频馈电电路。每个支路上由移相器、衰减器、滑动变阻器等组成，电路原理图如图3所示。
图3 射频电路原理图
射频馈电电路的实物如图4所示，为了有效的避免各支路之间相互干扰，通过加入功率分配器来将支路之间的隔离度控制在-25dB以下。
图4 射频馈电电路
通过改变衰减器和移相器所在电路中滑动变阻器的阻值，实现对衰减器和移相器的电压的控制，从而实现对各支路输出的幅值和相位的控制，使其能够输出满足不同辐射模式下各端口的最优幅值相位分布情况。为了增大输出电压的可调范围以及保证电压输出的稳定性，在电路的设计在各支路中的增加了升压电路和稳压电路。
天线阵列中单个偶极子单元的反射系数的仿真和实测结果如图5所示，中心频率为2.45GHz，天线单元带宽(反射系数低于-10dB)覆盖2.35-2.65GHz，达到300MHz。
图5 天线的仿真实测S参数结果对比图
通过加权功率传输最优化理论优化得到的多向端射智能阵列天线各个天线单元的激励分布如表1所示。当阵列天线工作在Mode1状态下，天线的八个端口的幅值相位如表1 Mode1所示。天线的方向图如图6(a)、(b)所示，xoy面呈现全向性，同时yoz面也呈现了很好的对称性，天线为全向辐射，全向增益为2.8dBi，实测和仿真吻合较好。
图6 天线工作在Mode1时方向图仿真与实测对比
当天线的八个端口的幅值相位如表1 Mode 2所示时。天线的方向图如图7(a)所示，阵列天线在水平面φ=0°，90°，180° 和 270°四个方向同时产生四个相同的波束，每个波束上是的增益为5.7dBi，当天线的八个端口的幅值相位如表1 Mode 3所示时，阵列天线在水平面同时产生四个波束如图7(b)所示，其中在φ=0°，90°，180°三个方向产生三个相同的波束，每个波束的增益为6.3 dBi，在φ=270°产生一个增益为3.3 dBi的波束，比其它三个方向小3 dB。由于阵列天线的对称性，增益小的波束的方向可以是水平面四个方向中的任意方向。
当给予四个接收天线不同的权值时得到天线的八个端口的幅值相位如表1 Mode 4时，如图7(c)所示，此时阵列天线在水平面φ=90°，180°，270°三个方向产生三个大小为4.5 dBi的波束，在φ=0°方向上产生一个增益为7.5dBi的波束，比其它三个方向大3dB。同样由于阵列天线呈现了很好的对称性，增益大的波束的方向可以是水平面四个方向中的任意方向。当只给一个接收天线赋值时，阵列天线的八个端口的幅值相位如表1 Mode 5所示。此时阵列天线的辐射模式为定向辐射，最大增益为9.7 dBi，如图7(d)所示。由于阵列天线的对称性，阵列天线可以在水平面φ=0°，90°，180° 和270°四个方向上任意一个方向形成定向辐射模式。
表1 八单元偶极子阵列各端口的幅值相位分布
图7 天线工作在Mode2、3、4、5时方向图仿真与实测对比
本文利用加权最大功率传输效率法设计了一款多波束双模扫描阵列天线，可通过改变八个天线单元幅值相位可以灵活控制天线波束的数量和指向以及各个波束之间辐射功率比例。该设计方法同时能保证各个波束增益的最大化，适用于任意复杂环境，任意天线单元和排列构型，能克服传统阵列天线设计的局限性，有广阔的应用前景。对现代化气象监测的发展十分重要。
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