一種新型雙頻共形共孔徑機載導(dǎo)航天線設(shè)計

王敏，李方

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著航空、航天技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)航空武器平臺追求高機動性、超音速巡航以及一定的隱身能力[1]。常規(guī)的非共形天線不僅會對飛機的飛行產(chǎn)生額外的氣動阻力，同時高空高速飛行對天線體的結(jié)構(gòu)強度也是重大考驗，嚴(yán)重可能會影響性能及飛行安全。所以共形天線成為當(dāng)前天線技術(shù)中最重要的發(fā)展之一[2]。共形天線通常指一個非平面的、與特定物體形狀共形的天線，一般會作為飛機等高速運動物體表面的一部分，該表面的外形不是由電磁因素、而是由諸如空氣動力或水力等因素確定的。在無人機及導(dǎo)彈等平臺上已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。

在現(xiàn)代無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展的形勢下，在飛機、導(dǎo)彈等載體上，各種機載、彈載電子設(shè)備的數(shù)量和種類都達(dá)到了前所未有的程度。眾多的天線不僅會在安裝位置上有一定沖突，同時會產(chǎn)生天線遮擋和電磁兼容等一系列問題。為了滿足各種平臺上天線安裝空間的要求，一方面需要最小化天線孔徑數(shù)量，另一個有效手段即是多功能孔徑綜合化設(shè)計[3]。機載天線的共孔徑設(shè)計在保證航電系統(tǒng)性能的前提下，簡化了飛機的整體設(shè)計，是航空武器平臺射頻終端的重要發(fā)展趨勢之一。

1 共形天線設(shè)計

傳統(tǒng)的用于全向覆蓋的導(dǎo)航天線一般為非共形設(shè)計的刀型天線，如圖1所示為一種成品機載刀型天線形式。

圖1 非共形機載刀型天線

L波段的刀型天線高度一般為65mm到85mm（含天線罩），天線高度較高不適合應(yīng)用于腔式共形設(shè)計。本文采用一種短路銷釘加載的盤錐天線形式，利用其低剖面特性實現(xiàn)導(dǎo)航天線的共性化設(shè)計。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。短路匹配銷釘?shù)募尤氩粌H能夠展寬帶寬[4][5]，而且還起到了支撐作用，保證天線的結(jié)構(gòu)強度。

圖2 短路銷釘加載盤錐天線形式

為保證導(dǎo)航天線前向覆蓋角域增益，天線安裝在有一向下傾角的飛機蒙皮上，飛機蒙皮及共形設(shè)計后的天線如圖3所示，本文設(shè)計的共形天線采取天線罩與飛機蒙皮共形的腔體結(jié)構(gòu)，天線安裝時在飛機蒙皮上開與輻射孔徑等大的孔，由外向內(nèi)安裝。

圖3 共形安裝導(dǎo)航天線

2 天線孔徑綜合化設(shè)計

將L波段天線和C波段波天線共孔徑設(shè)計，需考慮天線的集成形式?？紤]將L波段天線和C波段天線水平并排放置在腔內(nèi)，如圖4所示。

圖4 水平并排放置形式

圖5 水平并排放置仿真結(jié)果

可以看出L波段天線的存在造成C波段天線周圍結(jié)構(gòu)不對稱，從而改變了C波段天線的電流分布，使得C波段天線輻射方向圖改變。仿真結(jié)果也得到了證實，如圖5所示。仿真對比了C波段天線中心頻率的三個不同俯仰角60°、75°和95°的方位面方向圖，可見C波段天線方向圖發(fā)生畸變，水平并排集成方式不能實現(xiàn)雙頻天線的孔徑綜合。

考慮將L波段天線及C波段天線垂直并排放置，由于C波段天線要求帶寬不寬，所以C波段天線采用微帶天線形式[6]，有效降低天線剖面和體積,也利用短路探針加載形式對天線進(jìn)行小型化設(shè)計[7]。同時可以利用L波段天線輻射體作為C波段天線地板，C波段天線中心饋電，這樣保證了C波段天線的結(jié)構(gòu)對稱性。

圖6 垂直并排放置形式

如圖6所示為設(shè)計的垂直并排放置的共孔徑天線結(jié)構(gòu)圖，L波段天線中心底部饋電，C波段天線饋電線路由L波段天線的一個短路銷釘內(nèi)部引入，最后在C波段天線中心底部饋電，形成單孔徑雙端口饋電形式，實現(xiàn)了雙頻工作。經(jīng)過仿真驗證了此種孔徑綜合手段的可行性。

3 仿真測試對比分析

根據(jù)上述的設(shè)計思路，在εr=3.5，h=2mm的基板上加工C波段天線。最終組合天線整體安裝在機翼上蒙皮中，天線及測試工裝實物如圖7所示。

圖7 天線及測試工裝實物圖

利用電磁仿真軟件對該天線的主要特性進(jìn)行分析，優(yōu)化該天線的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終得到結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 雙頻天線駐波仿真結(jié)果圖

圖9 雙頻天線駐波仿真結(jié)果圖

圖8可見，C波段天線在頻率范圍f1_L到f1_H內(nèi)，電壓駐波比小于2，相對帶寬為4%；L波段天線在頻率范圍f2_L到f2_H內(nèi)，電壓駐波比小于2，相對帶寬為15%，滿足技術(shù)指標(biāo)要求?？梢钥闯龉部讖皆O(shè)計后的兩個天線保持有較好的阻抗特性。

仿真C波段天線及L波段天線中心頻率三個不同俯仰角的方位平面方向圖由圖9可得到，C波段天線在俯仰角為 60°～95°、方位角為-45°～45°的角域范圍內(nèi)增益大于-2dB，L波段天線在俯仰角為60°～95°、方位角為-45°～45°的角域范圍內(nèi)增益大于-1dB，滿足方向圖空間覆蓋角域要求。

對天線實物進(jìn)行測量得到雙頻天線方向圖結(jié)果。實測C波段天線覆蓋角域范圍內(nèi)增益最小值為-1.8dB，滿足指標(biāo)要求但低于仿真結(jié)果，分析原因主要由饋電線路損耗造成，仿真并未將線纜損耗考慮在內(nèi)；L波段天線覆蓋角域范圍內(nèi)增益最小值為-0.4dB，也小于仿真結(jié)果，分析主要由于介質(zhì)損耗、加工誤差及測試誤差等因素使實測結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果略有差異，但仍可證明該設(shè)計的可行性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型雙頻共形共孔徑天線，利用已有的結(jié)構(gòu)提出了一種將C波段與L波段單天線集成的形式，完成了天線共形共孔徑設(shè)計，實現(xiàn)了雙端口單天線的雙頻工作能力。利用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，并且完成了天線實物的研制加工，在C波段和L波段分別具有4%和15%的相對帶寬，在俯仰角為 60°～95°、方位角為-45°～45°的角域范圍內(nèi)，C波段天線增益大于-2dB，L波段天線增益大于-1dB，天線性能優(yōu)良，滿足指標(biāo)要求。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化水平面增益，盡量降低天線方向圖上翹[8]。

該設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，共形設(shè)計減小天線對飛機平臺氣動性破壞，同時實現(xiàn)了飛機表面天線孔徑面積和數(shù)量的減縮。隨著航空武器裝備的迅猛發(fā)展，機載天線共形共孔徑設(shè)計是重要的發(fā)展趨勢之一，本文的設(shè)計思路可應(yīng)用到其他孔徑綜合化設(shè)計中，對共形天線集成設(shè)計有一定的參考價值。

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