S波段彈載縫隙加載傘形印刷振子天線

常樹(shù)茂

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

0 引言

彈上天線是彈載多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中最主要的部件之一。這種天線的要求是尺寸小、抗過(guò)載能力大、成本低。為滿足彈上天線的這些要求，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種彈載天線［1－2］，傘形印刷振子天線就是其中的一種［3］。由于傘形印刷振子天線充分利用了彈體前端錐形空間，在相同工作頻率上，這種天線的后向輻射較少、增益較高。但對(duì)有些小彈體而言，在引信要求的工作頻率上，設(shè)計(jì)出的傘形印刷振子天線的尺寸仍較大。如何在傘形印刷振子天線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小天線尺寸的方法未見(jiàn)報(bào)道。本文提出了一種在傘形印刷振子天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)縫加載進(jìn)一步降低天線諧振頻率，從而縮小天線尺寸的方法。

1 印刷振子天線及加載

傘形印刷振子天線實(shí)際上是一種折疊印刷振子天線，它由接地板、短路耦合線、開(kāi)路傳輸線和微帶振子單元組成，如圖1所示。

圖1 典型傘形印刷振子天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of printed dipole umbrella antenna

接地板、短路耦合線和微帶振子單元位于介質(zhì)基板一側(cè)，開(kāi)路傳輸線位于介質(zhì)基板的另一側(cè)。信號(hào)能量由開(kāi)路傳輸線的底部饋入，通過(guò)短路耦合線平衡耦合到兩個(gè)印刷振子單元上。這種由接地板、短路耦合線、開(kāi)路傳輸線組成的饋電部分稱為平衡饋電巴倫（balun）。天線的每個(gè)印刷振子單元的幾何長(zhǎng)度Le為：

式中，f為工作頻率，C為光速，εe為等效相對(duì)介電常數(shù)，t為振子天線銅層厚度，εr為天線介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)。

為了縮小天線的尺寸，使天線在有限空間具有相對(duì)較長(zhǎng)的電長(zhǎng)度，把振子單元折疊成傘形，折疊后的幾何長(zhǎng)度比直線長(zhǎng)度稍有不同。

為了進(jìn)一步減小天線尺寸，可以在傘形印刷振子天線上加載［4］，天線加載的方法可以改變天線上電流分布，從而使天線的諧振頻率進(jìn)一步降低。關(guān)于振子加載天線的研究，前人已經(jīng)做過(guò)很多工作，如文獻(xiàn)［5］是第一個(gè)根據(jù)傳輸線理論研究了偶極子天線加載問(wèn)題。在距離開(kāi)路末端1／4波長(zhǎng)處串聯(lián)一個(gè)等于開(kāi)路線特性阻抗的電阻，可以在天線上得到行波電流。文獻(xiàn)［6］提出用RLC并聯(lián)電路對(duì)單極子天線實(shí)行分段加載，同時(shí)借助遺傳算法和計(jì)算機(jī)模擬全局搜索最佳加載位置和加載元件值，成功設(shè)計(jì)了30～450MHz單鞭和雙鞭加載天線。最近，又有專家結(jié)合加載快速處理技術(shù)以及GA與SA相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)制作了單鞭天線［7］，進(jìn)一步優(yōu)化了天線的性能指標(biāo)。根據(jù)目前能查閱的資料看，未見(jiàn)在傘形印刷振子天線上加載的報(bào)道，本文參照單極子加載原理，對(duì)傘形印刷振子天線進(jìn)行了加載研究和設(shè)計(jì)。在傘形印刷振子天線的內(nèi)側(cè)通過(guò)開(kāi)槽形成電容加載。這種加載方法對(duì)天線輻射特性影響不大，但可以縮小天線尺寸。

2 縫隙加載傘形印刷振子天線

2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了縮小天線尺寸，本文把典型平衡饋電巴倫中的四分之一波長(zhǎng)短路耦合線設(shè)計(jì)成寬傳輸線，饋電微帶線位于寬傳輸線中心。把典型平衡饋電巴倫中的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路傳輸線設(shè)計(jì)成和印刷振子直接耦合的具有輻射能力的二分之一波長(zhǎng)開(kāi)路傳輸線，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。約四分之一波長(zhǎng)短路寬傳輸線上的電流分布類似四分之一波長(zhǎng)短路耦合線上的電流分布，所以圖2結(jié)構(gòu)的等效原理圖和典型平衡饋電巴倫（balun）的等效原理圖3類似。

圖2 加載天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of loaded antenna

圖3 平衡饋電結(jié)構(gòu)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of balanced feed structure

由圖3平衡饋電巴倫等效電路可得到整個(gè)天線的輸入阻抗Zin為［8］：

式中，Za，θa是開(kāi)路傳輸線的特性阻抗和電長(zhǎng)度；Zab，θab是短路傳輸線的特性阻抗和電長(zhǎng)度；Zb，θb是饋電傳輸線的特性阻抗和電長(zhǎng)度。

式（5）中，Zd是印刷振子的輸入阻抗［9－10］；2L是印刷振子的長(zhǎng)度；α是印刷振子上的衰減常數(shù)；β是印刷振子上的相移常數(shù)。

2.2 印刷振子參數(shù)

從天線輻射效率和加載的角度考慮，印刷振子的寬度應(yīng)選擇的寬些。印刷振子寬輻射效率高且加載開(kāi)縫時(shí)對(duì)天線輻射性能影響小。但寬的振子產(chǎn)生端頭效應(yīng)，使振子的實(shí)際長(zhǎng)度變短。所以振子的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)修正，修正量為振子寬度W 的1／4，即

式中，2Le為振子幾何長(zhǎng)度。

由于天線的空間尺寸有限且彈載多普勒雷達(dá)系統(tǒng)工作頻帶要求不寬，選擇天線介質(zhì)基片的介電常數(shù)εr為9.6，厚度h為1mm。振子臂寬度4.3mm，振子臂長(zhǎng)19.7mm；饋電微帶寬度為1mm；饋電匹配傳輸線長(zhǎng)7mm，匹配傳輸線寬度2mm；短路傳輸線長(zhǎng)度10mm，短路傳輸線寬度7.5mm。

2.3 印刷振子加載參數(shù)

天線加載的設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的問(wèn)題，所涉及的變量包括加載位置、加載元件、加載的組合形式等，是一個(gè)多變量復(fù)雜問(wèn)題，精確的解析分析是困難的。一般均借助計(jì)算機(jī)模擬和最優(yōu)化技術(shù)尋求加載的最優(yōu)解。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，為了保持天線加載前和加載后的輻射特性基本不變，加載的位置應(yīng)盡量避開(kāi)輻射點(diǎn)或輻射邊的位置。根據(jù)Altshuler加載的經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)使用二段微帶傳輸線作為集成電抗性負(fù)載，各段微帶傳輸線負(fù)載的一端開(kāi)路，一端接在輻射貼片上，如圖2所示。沿靠近天線中心軸的兩條非輻射斜邊自上而下向外側(cè)各開(kāi)一縫隙?？p隙的寬度設(shè)計(jì)為0.3mm，縫隙設(shè)計(jì)的太寬將較大影響輻射方向圖和輻射效率。選天線的地面反射板直徑28.9mm，反射板以下為彈體，彈體的最大直徑41 mm。天線基板的外形是梯形，梯形上底邊長(zhǎng)15.26 mm，下底邊長(zhǎng)28.5mm，高24.1mm，天線形狀如圖4所示。

圖4 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the antenna

3 天線仿真

本文使用Ansys公司的HFSS有限元算法軟件對(duì)尺寸為32mm×18mm一般傘形印刷振子天線和加載傘形印刷振子天線進(jìn)行了仿真計(jì)算。天線如圖1所示，圖中黑色部分是饋電面，淺色部分是輻射面（輻射面的另一輻射臂被饋電面耦合傳輸線遮擋）。圖5（a）是未加載天線輸入端的電壓駐波比圖，未加載天線的諧振頻率為3.2GHz。圖5（b）是加載天線輸入端的電壓駐波比圖，天線的諧振頻率為2.7GHz。駐波比小于2的頻帶寬度約為3.7%，對(duì)于振子天線而言頻帶是較寬的。

圖5 天線電壓駐波比Fig.5 Voltage standing wave ratio of the antenna

由圖6加載天線輻射方向圖看出半功率波瓣寬度約70°，天線增益大于5dBi。

圖6 天線輻射方向圖Fig.6 Radiation pattern of the antenna

通過(guò)H面方向圖發(fā)現(xiàn)，在振子臂對(duì)應(yīng)方向上輻射值較大，這影響了天線最大方向增益。分析其原因，一是因振子有一臂為耦合臂，造成兩傘形輻射臂上電流分布及大小都有不同；二是振子末端除電流分布影響外，它和反射地板距離較近，更加影響天線的輻射性能。筆者調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線基板尺寸和振子臂斜度不變，天線振子形狀類似的條件下，當(dāng)頻率升至3GHz以上時(shí)，在彈軸垂直面方向輻射都很小，天線H面方向圖趨近圓形。圖7是加載天線輸入端的史密斯圓圖。

圖7 輸入端史密斯圓圖Fig.7 Smith chart of the input terminal

4 結(jié)論

本文在傘形印刷振子天線上進(jìn)行了縫隙加載。通過(guò)在沿靠近傘形天線中心軸的兩條非輻射斜邊自上而下向外側(cè)各開(kāi)一寬0.3mm、長(zhǎng)3.27mm的縫隙，進(jìn)一步降低了天線的諧振頻率，即進(jìn)一步縮小了天線尺寸。仿真結(jié)果表明：對(duì)于傘形印刷振子天線，在沿靠近天線中心軸的兩條非輻射斜邊自上而下向外側(cè)各開(kāi)一條較窄縫隙，可使傘形印刷振子天線在工作頻率2.7GHz時(shí)，尺寸縮小15%。這種天線的不足是H面方向圖的幅度起伏較大，有可能使系統(tǒng)在某一方向上探測(cè)靈敏度不夠。如何減小H面方向圖的幅度起伏是進(jìn)一步研究的方向。

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