一種彈載寬帶圓極化天線陣設(shè)計(jì)

張 彬 ，許家棟 ，付 鵬 ，周 沖 ，石 帥

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710129；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安710072）

隨著電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，天線已經(jīng)越來(lái)越多地被裝載在火箭、導(dǎo)彈等載體上。對(duì)于彈載天線而言，由于導(dǎo)彈在飛行過程中的姿態(tài)是變化的，為了能有效接收或發(fā)射電磁能量，彈載天線最好具有圓極化特性。圓極化天線能接收到任意方向的線極化波，且有較強(qiáng)的抗雨霧干擾能力[1]，在無(wú)線通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

彈載天線必須具備體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度好、易于共形且不影響載體的氣動(dòng)性能等特點(diǎn)。常用的彈載天線包括振子天線、縫隙天線、螺旋天線、波導(dǎo)天線、微帶天線等[2]。設(shè)計(jì)時(shí)具體選用哪一種天線形式，要綜合考慮天線的尺寸、電特性、安裝位置、能否與載體共形等因素。文獻(xiàn)[3]提出了一種與導(dǎo)彈橫截面共形的圓極化微帶天線，通過開槽、簡(jiǎn)并模分離等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小型化和圓極化，主輻射方向指向?qū)椪胺?，但這種結(jié)構(gòu)的天線只適合裝載在彈體頭部位置。很多時(shí)候需要把天線裝載在彈體側(cè)面。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種安裝在彈體側(cè)面的微帶螺旋天線，主輻射方向垂直于彈體軸線，但不易與載體共形。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)高增益的彈載平面八木天線，由于采用了16個(gè)引向器，使得天線尺寸很大，不便于安裝。

為了設(shè)計(jì)出尺寸小、能裝載在彈體側(cè)面、主輻射方向指向?qū)椪胺角乙着c載體共形的彈載天線，本文對(duì)文獻(xiàn)[5]的八木天線作了改進(jìn)。利用鏡像原理使得天線尺寸減小一半，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了饋電問題，并以此為陣元，采用文獻(xiàn)[6]介紹的順序旋轉(zhuǎn)布陣法，通過控制天線單元饋電端口的相位，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有寬帶圓極化特性的印刷八木天線陣。

1 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

印刷八木天線陣結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。該陣列由4個(gè)印刷八木天線單元組成，安裝在彈尾四周。印刷八木天線單元的極化方向與振子方向一致，輻射線極化波。一個(gè)圓極化波可以分解成兩個(gè)在空間和時(shí)間上均正交的等幅線極化波，因此，要實(shí)現(xiàn)圓極化特性，只需產(chǎn)生兩個(gè)在空間上正交的線極化電場(chǎng)分量并使二者振幅相等且相位差為90°。在本文的設(shè)計(jì)中，為了不破壞導(dǎo)彈的氣動(dòng)性能和保證方向圖的對(duì)稱性，采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的4元陣結(jié)構(gòu)，并通過控制天線饋電端口的相對(duì)相位，使之依次為 0°、90°、180°和 270°，實(shí)現(xiàn)圓極化。 饋電網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)寬帶反相器與兩個(gè)寬帶90°移相器級(jí)聯(lián)而成，其原理圖如圖1(b)所示。

圖1 印刷八木天線陣Fig.1 Printed Yagi antenna array

2 印刷八木天線單元設(shè)計(jì)

采用印刷八木天線作為基本單元，是因?yàn)樵撎炀€結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以裝載在彈體側(cè)面，易于與導(dǎo)彈尾翼共形，且為端射天線。其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。該種天線于1928年首次被提出[7]，結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性。根據(jù)鏡像原理可知，圖1(c)所示兩個(gè)印刷八木天線的在右半空間產(chǎn)生的輻射場(chǎng)是相等的。本文用鋁管模擬導(dǎo)彈殼體，由于鋁管直徑相對(duì)于天線介質(zhì)基板厚度很大，可用來(lái)代替無(wú)限大接地導(dǎo)體。從而，所需設(shè)計(jì)的印刷八木天線為原天線結(jié)構(gòu)的一半，如圖1(d)所示。可見，該天線單元由有源振子、引向器、反射器、介質(zhì)板、鏡像地等幾個(gè)部分組成。引向器和反向器的作用是將有源振子的能量引到主輻射方向上去。由于引向器和反射器很難焊接到鋁管上，為了保證鏡像的完整，我們?cè)阡X管（導(dǎo)彈）上開槽，天線通過槽與緊貼在鋁管內(nèi)壁的鏡像地（銅片）焊接到一起。天線用SMA接頭直接饋電，接頭的外導(dǎo)體與鏡像地連接，內(nèi)導(dǎo)體穿過鏡像地上的通孔與有源振子連接。

用鋁管模擬導(dǎo)彈，導(dǎo)彈長(zhǎng)度H=210 mm，外徑D=80 mm，壁厚為2 mm。采用介電常數(shù)εr為4.4的普通FR-4板材，厚度為1 mm。應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS13.0建立天線模型，對(duì)其各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到一組最佳尺寸，如表1所示?；谝陨宪浖抡娼Y(jié)果，制作了天線實(shí)物并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)物如圖2所示。印刷八木天線陣的4個(gè)饋電端口與饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出端口之間通過4根等相位（同軸）線相連。

圖2 天線陣實(shí)物圖Fig.2 Photo of the fabricated antenna

表1 天線尺寸（單位：mm)Tab.1 Size of the antenna mm

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖3(a)為天線陣的回波損耗S11曲線。天線的S11小于-10 dB的頻段覆蓋了整個(gè)X波段，相對(duì)帶寬達(dá)40%以上，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。圖3(b)為天線陣的增益曲線。在8～12 GHz頻段內(nèi)，仿真增益在4～6 dB之間，測(cè)試增益在4.5 dB上下波動(dòng)，整體上比仿真結(jié)果要小。圖3(c)為主輻射方向上的軸比隨頻率的變化。由于天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱，仿真軸比在整個(gè)X波段內(nèi)都很小，約為0.2dB，呈現(xiàn)很好的圓極化特性。測(cè)試軸比曲線波動(dòng)較大，在8.3～8.7 GHz頻段內(nèi)為大于3 dB，在X波段其余頻帶內(nèi)都小于3 dB。圖3(d)為10 GHz處主平面內(nèi)的極化軸比。由該圖可知，在主平面的不同角度內(nèi)，軸比不相同。在主瓣范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。在Theta=0°的主輻射方向，軸比為0.8 dB。在偏離主輻射方向±4°的掃描角范圍內(nèi)，軸比小于3 dB，滿足圓極化設(shè)計(jì)要求。

圖3 天線陣回波損耗、增益和軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.3 Simulated and measured return loss,gain and axial ratio of the antenna array

圖 4(a)、(b)和(c)為天線陣在 8 GHz、10 GHz 和 12 GHz處的歸一化輻射方向圖?？梢?，方向圖呈現(xiàn)花瓣?duì)睿瑴y(cè)試方向圖與仿真方向圖有較好的一致性。在兩個(gè)相互垂直的主平面內(nèi)的方向圖基本重合，且有較好的對(duì)稱性。主輻射方向指向?qū)椪胺?。隨著頻率增大，天線主瓣寬度逐漸變窄。在8 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±8°；在 12 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±4°。柵瓣電平比較大，在高頻時(shí)甚至比主瓣電平還高。過高的柵瓣電平，不僅會(huì)使輻射能量分散，增益下降，還會(huì)造成對(duì)目標(biāo)定位、測(cè)向等的錯(cuò)誤判斷，應(yīng)當(dāng)給予抑制。在本文的設(shè)計(jì)中，會(huì)出現(xiàn)窄的主瓣和高的柵瓣，主要受天線結(jié)構(gòu)限制。在本文的設(shè)計(jì)中，印刷八木天線單元裝載在導(dǎo)彈四周，導(dǎo)彈直徑為80 mm，X波段中心頻率10 GHz處的波長(zhǎng)λ為30 mm，單元天線間距為2.6λ，根據(jù)陣列天線理論，陣元間距d過大，會(huì)使得副瓣電平升高，主瓣寬度變窄。鑒于該天線陣較窄的角域覆蓋能力，為了有效接收或輻射電磁能量，對(duì)導(dǎo)彈的發(fā)射精度有較高的要求。

由上述分析可知，該天線陣的回波損耗S11、方向圖等參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，但實(shí)測(cè)增益比仿真增益略低，實(shí)測(cè)軸比會(huì)惡化，這主要由以下幾個(gè)方面的因素引起。第一，天線陣各部件加工、組裝誤差。制作實(shí)物時(shí)，鏡像地?zé)o法像仿真模型中一樣跟鋁管緊密貼合，影響地電流的連續(xù)性[8]。印刷八木天線單元安裝在鋁管開的槽中，只能通過目測(cè)定位，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上略有不對(duì)稱。第二，測(cè)試時(shí)采用購(gòu)買來(lái)的功分器（如圖2所示）給各單元天線饋電，功分器性能不理想對(duì)天線參數(shù)影響很大，特別是增益和軸比。功分器插入損耗偏大，導(dǎo)致測(cè)量增益降低；另外，功分器4個(gè)輸出端口輸出信號(hào)幅度不相等，或相位偏離 0°、90°、180°和 270°的相對(duì)關(guān)系，則會(huì)影響天線陣的圓極化性能（軸比惡化）。第三，等相位線引入誤差。測(cè)量時(shí)，天線陣各陣元饋電端口與功分器輸出端口之間是用四根長(zhǎng)度相等（等相位）的同軸線連接的。連接時(shí)，同軸線被彎折，損耗和相移發(fā)生變化，影響軸比。第四，測(cè)試誤差。在本文的設(shè)計(jì)中，采用Agilent公司的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線陣回波損耗S11，利用微波暗室測(cè)量輻射方向圖，受測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法影響，不可避免地會(huì)引入誤差。

圖4 天線陣方向圖仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.4 Simulated and measured radiation pattern of the antenna array

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種彈載印刷八木天線陣，可工作于X波段，具有尺寸小、重量輕、能安裝在彈體側(cè)面與導(dǎo)彈尾翼共形等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)天線的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。該天線在整個(gè)X波段內(nèi)回波損耗均小于-10 dB，相對(duì)帶寬達(dá)40%以上；主輻射方向指向?qū)椪胺剑? dB波瓣寬度為±4°，平均增益達(dá)4.5 dB；主輻射方向極化軸比為 0.8dB，在±4°天線掃描空間內(nèi)，軸比小于3 dB，滿足圓極化設(shè)計(jì)要求?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，該彈載寬帶圓極化天線陣在電子對(duì)抗領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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