一種彈載共形錐形波束天線的設(shè)計

方 鑫 肯 諾 王 慷 張 玲

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

在現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭中，中遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈襲擊已成為主要的有效打擊手段之一。導(dǎo)彈在預(yù)定軌跡飛行中，地面技術(shù)人員通過彈載數(shù)據(jù)鏈天線獲得其飛行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，同時可對導(dǎo)彈進行制導(dǎo)和引信［1］。隨著現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈的性能要求不斷提高，以及導(dǎo)彈特殊的應(yīng)用環(huán)境，對彈載數(shù)據(jù)鏈天線提出了很多特殊的要求:首先，保證導(dǎo)彈的氣動力學(xué)特性、機械結(jié)構(gòu)和強度，要求彈載數(shù)據(jù)鏈天線能夠與彈體共形;其次，為適應(yīng)由彈體機動帶來的天線指向變化，要求彈載數(shù)據(jù)鏈天線的方向圖具備特定的覆蓋能力［2］。

彈載天線的種類有多種，常用的彈載天線形式有微帶天線、振子天線葉片天線、開槽天線、螺旋天線，以及波導(dǎo)天線等。加載于尺寸有限的同一殼體表面時，天線間的互耦往往是造成彈載電子設(shè)備相互干擾的主要原因［3］。

本文結(jié)合實際項目需求，研究設(shè)計了一種彈載共形微帶準(zhǔn)八木天線。該天線與彈體共形，不影響彈體的空氣動力學(xué)特性，并對其進行了性能仿真。

1 天線要求及方案設(shè)計

1．1 性能要求

天線的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下:

(1)天線工作頻率:10GHz±5%;

(2)天線駐波比:VSWR＜2.0;

(3)天線增益:Gain＞2dBi;

(4)極化方式:線極化;

(5)波束形狀:后向錐形波束。

圖1 彈載天線安裝位置示意圖

天線的安裝方式如圖1所示，天線置于彈體前端，同時實現(xiàn)后向錐形波束輻射的方向圖。

1．2 天線設(shè)計

綜合考慮天線體積、帶寬、方向圖形狀以及彈體對其影響，選擇采用微帶準(zhǔn)八木天線。

考慮到彈體的有限空間以及共形需求，選取介電常數(shù)為2.17，厚度為0.254mm 的Rogers 介質(zhì)板，該介質(zhì)板柔韌可彎曲共形。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 天線陣列設(shè)計示意圖

如圖3所示，圓錐尺寸為上直徑為12mm，下直徑為26mm，高為40mm。天線共形裹于椎體表面，整體可置于彈體前端腔內(nèi)。利用金屬圓柱體代替彈體構(gòu)建仿真模型，如圖4所示。應(yīng)用電磁仿真軟件AnsoftHFSS 對其進行仿真計算。

圖3 天線仿真模型圖

圖4 天線加彈體的仿真模型圖

選擇合適的介質(zhì)材料作為天線與彈體表面的過渡，可以有效改善彈體對天線波束形狀以及駐波的影響［4］。實際工作時，天線的內(nèi)外表面會發(fā)泡充滿介電常數(shù)為4.2，損耗角為0.01 的介質(zhì)，所以將其加入模型設(shè)計進行仿真計算。從天線仿真計算結(jié)果，圖5-6 中可以看出，天線輻射方向圖受到彈體的影響較小，可以實現(xiàn)后向輻射的使用要求。

將天線仿真優(yōu)化到最優(yōu)解，得到最佳尺寸。

圖5 天線回波損耗

圖6 天線方向圖

2 工差分析優(yōu)化

采用AnsoftHFSS 軟件對天線模型進行仿真，并對實際安裝過程中相應(yīng)的參數(shù)進行了優(yōu)化分析，結(jié)果如下所示。

2．1 外罩介質(zhì)厚度公差分析

保持聚四氟乙烯外罩介電常數(shù)4.2 不變，對外罩表面介質(zhì)厚度進行公差比較，結(jié)果如圖所示，當(dāng)厚度增加時，駐波、方向圖和增益性能變化不大，駐波隨厚度增加略有向低頻偏的趨勢。

圖7 駐波隨外罩厚度的變化

圖8 方向圖隨外罩厚度的變化

2．2 外罩內(nèi)外填充介質(zhì)的介電常數(shù)公差分析

保持外罩厚度不變，改變其介電常數(shù)進行比較，如圖所示。由圖可知外罩介電常數(shù)對天線的駐波性能影響較大。增益略有減小，方向圖的變化善可接受。

2．3 天線內(nèi)表面與外罩介質(zhì)的間隙的影響分析

保持天線和外罩厚度不變，使其內(nèi)部天線與內(nèi)部的外罩介質(zhì)存有空氣間隙，變化其間隙的厚度，對天線的性能影響如圖所示?？梢娍諝忾g隙較小時對性能變化不大，間隙達(dá)到2mm 時，駐波性能變差的比較明顯，方向圖也出現(xiàn)多瓣情況。在安裝時，間隙應(yīng)保證小于2mm。

圖9 駐波隨外罩介電常數(shù)的變化

圖10 方向圖隨外罩介電常數(shù)的變化

圖11 駐波隨內(nèi)部空氣間隙的變化

2.4 天線外表面與接觸外罩介質(zhì)的間隙的影響分析

保持天線和外罩厚度不變的情況下，改變其天線與外罩不完全接觸的空氣間隙，天線性能變化如圖所示。當(dāng)間隙小于0.8mm 時，天線性能變化不大，當(dāng)間隙大于0.8mm 時，駐波性能變化比較明顯。

圖12 方向圖隨內(nèi)部空氣間隙的變化

圖13 駐波隨外部空氣間隙的變化

圖14 方向圖隨外部空氣間隙的變化

2．5 貼片裹在圓錐表面的高度

保持外罩和天線的指標(biāo)不變，將天線裹在圓錐高度改變，對天線性能進行比較。如圖所示，可知天線裹在圓錐的位置對天線的性能影響也很大，當(dāng)高度向下移動6mm 后天線駐波性能很差，方向圖和增益也出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。

圖15 駐波隨貼片高度的變化

圖16 方向圖隨貼片高度的變化

以上分析為對安裝過程中的一些工差進行了優(yōu)化分析，得知安裝過程中應(yīng)該注意影響較大的參數(shù)，以保證實物工作性能完備。

3 加工測試

天線加工后的結(jié)構(gòu)如圖所示，內(nèi)外部均為聚四氟乙烯材料，天線裹于內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面，外部聚四氟乙烯罩進行嵌套，同時利用螺絲進行壓緊固定。加工完成后的天線進行了駐波以及方向圖測試。

天線的駐波利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀室外無遮擋輻射測試，天線輻射方向圖采用微波暗室遠(yuǎn)場測試。

天線駐波測試結(jié)果圖18所示，整體測試結(jié)果，駐波方向圖結(jié)果符合性能要求，駐波性能S11＜-10dB，方向圖向后方輻射，增益最大為2.8dBi，向前方最大增益為-2.3dBi。

圖17 天線加工圖

圖18 天線回波損耗測試

圖19 天線10GHz 測試方向圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種彈載天線陣，該方案結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便，帶寬寬，尺寸小。利用仿真軟件計算出最優(yōu)結(jié)果的尺寸，同時對實際安裝過程中的一些工差進行了相應(yīng)的分析，驗證了其設(shè)計安裝的可行性。加工實物，進行安裝測試，滿足指定天線設(shè)計要求。

［1］楊超，S 波段彈載柱面共形微帶天線的設(shè)計［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2013.

［2］何兵，劉剛，南楠等.一種飛航導(dǎo)彈彈載發(fā)射天線設(shè)計［J］.微波學(xué)報，2011，27(3):43-46.

［3］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［4］梁毅.一種新型彈載天線［J］.無線電工程，2014，(7):66-68.