彈載共形遙測(cè)天線的設(shè)計(jì)*

周旭冉,高寶建,伍捍東,任宇輝

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127 2.西安恒達(dá)微波技術(shù)開發(fā)公司，陜西 西安 710061)

無(wú)線電遙測(cè)是導(dǎo)彈系統(tǒng)測(cè)試的重要手段，在導(dǎo)彈的研制和發(fā)射試驗(yàn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而天線作為遙測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能好壞直接影響著整個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)的工作性能。所以人們對(duì)遙測(cè)天線的要求也越來(lái)越高，以盡可能地為評(píng)估導(dǎo)彈性能和分析故障提供精確的依據(jù)[1]。導(dǎo)彈在飛行過程中姿態(tài)變化大，運(yùn)動(dòng)速度快，天線單元必須采用易于共形的輻射單元。過去常采用的振子天線已無(wú)法滿足外形要求。而微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等特點(diǎn)，無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都有很多優(yōu)勢(shì)，非常適合在導(dǎo)彈等高速飛行器上應(yīng)用。

本文結(jié)合實(shí)際需求，研究設(shè)計(jì)了一種彈載共形微帶天線。該天線與彈體表面共形，不影響彈體的空氣動(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)其進(jìn)行了性能仿真和試驗(yàn)研究。

1 天線設(shè)計(jì)

本文研究的共形微帶天線，其工作波長(zhǎng)及尺寸遠(yuǎn)小于所要共形的導(dǎo)彈載體半徑，所以載體表面的曲率對(duì)天線單元性能的影響非常小。因此天線單元的設(shè)計(jì)可以采用一般平面微帶天線設(shè)計(jì)理論和公式。但當(dāng)貼片單元組成一個(gè)天線陣列并與曲面共形時(shí)，其反射系數(shù)和方向圖還是會(huì)發(fā)生一定的變化，輻射特性也變得復(fù)雜。為了在陣列設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)入曲面的影響，使用基于有限積分的“CST Microwave studio”電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

天線主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

（1）天線工作頻率：f0±20 MHz；

（2）天線駐波比：VSWR≤1.5；

（3）天線增益：Gain≥8 dBi；

（4）極化方式：線極化。

1.1 微帶天線單元設(shè)計(jì)

本文采用的微帶天線由接地層、介質(zhì)層、貼片層和防護(hù)罩層組成。微帶輻射單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，微帶天線通過饋電方向的兩個(gè)邊緣進(jìn)行輻射，單元阻抗由中到邊緣逐漸變大。采用開槽的形式[2]，把饋線深入貼片天線內(nèi)部，通過調(diào)整饋線插入深度，使饋線與貼片單元達(dá)到良好的阻抗匹配。

1.1.1 介質(zhì)基板的確定

在進(jìn)行微帶貼片天線單元設(shè)計(jì)時(shí)，需首先做好介質(zhì)基片材料 (介電常數(shù) εr和介質(zhì)損耗正切角tanδ)的選擇及厚度h的確定，它們直接影響微帶天線的尺寸、重量、方向性、頻帶等性能[3]。

值得指出的一點(diǎn)是，在安裝空間受限以及低剖面要求的彈載應(yīng)用場(chǎng)合，增加介質(zhì)基片厚度h可以展寬天線帶寬，但基片厚度過大則會(huì)引起表面波的明顯激勵(lì)，表面波達(dá)到基片邊沿時(shí)產(chǎn)生反射散射，導(dǎo)致天線增益下降，交叉極化增大，輻射效率降低。因此要綜合考慮確定。

根據(jù)天線的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)過程中貼片層和接地層都采用厚度t=0.018 mm的銅箔，介質(zhì)層采用介電常數(shù)εr=6、厚度h=1.0 mm、損耗正切 tanδ≤0.001的微波復(fù)合介質(zhì)。

1.1.2 微帶單元尺寸的確定

陣元寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向函數(shù)、輻射電阻以及輸入阻抗，從而影響著微帶天線的頻帶寬度和輻射效率[4]。陣元寬度可由式(1)計(jì)算得到：

式中c為光速,f0為諧振頻率。

微帶貼片天線的長(zhǎng)度由式(2)確定

△L為等效伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，εe為考慮了介質(zhì)罩的有效介電常數(shù)。

根據(jù)上述公式，采用所選擇的介質(zhì)基板便可以計(jì)算貼片單元的大小。使用基于CST仿真軟件，進(jìn)行仿真、優(yōu)化得到天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下:貼片寬度17.8 mm,貼片長(zhǎng)度13.5 mm，饋線插入深度4.1 mm，饋線寬度1.5 mm。

1.2 微帶 2×2陣列設(shè)計(jì)

微帶貼片單元的增益一般只有4 dBi左右。為了獲得更大的增益，或者說是為了實(shí)現(xiàn)特定的方向性，通常采用由微帶貼片輻射單元組成的微帶陣列天線[5]。因此，本文在所要求的60 mm×60 mm尺寸范圍內(nèi)，同時(shí)又考慮到天線的效率問題，采用了4個(gè)輻射單元組成一個(gè)2×2的微帶陣。設(shè)計(jì)的微帶陣列和功分網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)主要是保證各陣元所要求的激勵(lì)振幅和相位,以便形成所要求的方向圖,或者使天線性能某項(xiàng)指標(biāo)最佳。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的要求是阻抗匹配、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。

根據(jù)以上所述,天線陣采用并聯(lián)等幅同相等功率饋電[6]，饋電網(wǎng)絡(luò)由T型等分功分器組成，功分器采用多節(jié)阻抗匹配枝節(jié)設(shè)計(jì)，使調(diào)試簡(jiǎn)單方便。整個(gè)天線陣采用同軸SMA接頭,為了達(dá)到與接頭 50 Ω阻抗匹配，還需要利用四分之一阻抗匹配段來(lái)調(diào)配天線陣輸入阻抗。

1.3 天線罩的設(shè)計(jì)

為了更好地使天線整體與飛行器外形一體化，將天線罩也做成與彈體具有相同的曲率，使天線與彈體融為一體?？紤]到飛行器時(shí)速低于2馬赫，天線罩最高溫升為135℃，同時(shí)考慮風(fēng)速壓力、冰雹、雨雪沖擊載荷等因素，因此采用平滑剛性結(jié)構(gòu)，選擇聚四氟乙烯玻璃布板作為天線罩的材料，耐溫可達(dá)200℃，天線罩厚度可用下式計(jì)算：

其中θ0為電磁波照射天線罩的入射角。

2 天線陣仿真及測(cè)試結(jié)果分析

基于以上設(shè)計(jì)，用電磁仿真軟件CST對(duì)天線陣進(jìn)行仿真、優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了天線陣實(shí)物樣件。天線實(shí)物樣件模型如圖3所示。

天線的電壓駐波比采用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8757C測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)是仿真得到的駐波曲線，圖4(b)是測(cè)量得到的駐波曲線。

從圖4可以看出，天線在±20 MHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比都小于1.5,滿足天線設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,但是實(shí)測(cè)結(jié)果中諧振點(diǎn)稍微往高頻偏移，兩者存在的偏差主要是由天線的加工誤差、測(cè)量誤差、接頭焊接誤差和仿真計(jì)算誤差所引起的。

最后在微波暗室通過天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線的輻射方向圖和增益進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)給出了天線陣在中心頻率處仿真與實(shí)測(cè)的H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖5(b)給出了仿真與實(shí)測(cè)的E面方向圖。

圖5中實(shí)線代表仿真值，虛線代表實(shí)測(cè)值?？梢郧宄乜吹?，實(shí)測(cè)方向圖與仿真方向圖吻合良好。H面方向圖對(duì)稱性較好，而E面的方向圖稍顯不對(duì)稱，這是由于整個(gè)天線的饋電點(diǎn)同軸SMA接頭不在正中心位置，對(duì)于E面是不對(duì)稱的。

采用標(biāo)準(zhǔn)增益天線比較法測(cè)試得到天線在中心頻率的增益為8.4 dBi,而仿真得到的增益為8.9 dBi，該天線增益的實(shí)測(cè)值與仿真值也是大致接近的，稍有偏差是由于在仿真建立模型時(shí)，微波介質(zhì)損耗因子的設(shè)置比實(shí)際的要小，而介質(zhì)損耗大必然使輻射效率降低，從而使增益降低。

綜合運(yùn)用單層微帶貼片結(jié)構(gòu)和T型功分器饋電技術(shù)，并結(jié)合高頻電磁仿真軟件CST設(shè)計(jì)了一個(gè)四元彈載共形微帶天線陣。設(shè)計(jì)的天線陣體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便。實(shí)測(cè)天線陣在±20 MHz的頻帶內(nèi)駐波比均小于1.5，最大增益8.4 dBi，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可以滿足遙測(cè)天線的使用需求。

[1]李志勇.微帶共形天線陣在遙測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].航空兵器,2009(4):28-29.

[2]趙菲.基于子陣合成技術(shù)的微帶天線陣設(shè)計(jì)[C].全國(guó)天線年會(huì),2009:158-159

[3]康德地.箭載共形相控陣天線設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2010,29(2):1-2.

[4]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[5]廖學(xué)介.一種用于海事衛(wèi)星通信的微帶陣列天線的設(shè)計(jì)[C].全國(guó)天線年會(huì),2009:278-279.

[6]姜興.64元Ku波段寬頻帶高增益微帶天線陣設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2008,24(增刊):118-119.