雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線

文瑞虎，陳　偉，王海彬，范　永

(機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安　710065)

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雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線

文瑞虎，陳偉，王海彬，范永

(機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安710065)

摘要:針對目前彈載GPS共形天線，在無線電引信特定尺寸和安裝環(huán)境下工作帶寬窄的問題，提出雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線。該天線采用雙層介質板作為天線輻射單元的襯底，通過兩種不同介電常數(shù)的介質板疊加形成非線性天線基板,其有效磁導率會隨頻率的升高成平方的減小，這樣就可以在不同的頻率上對應同一個貼片尺寸，從而拓展了天線的工作帶寬。仿真和樣機測試結果表明：該天線輻射單元實現(xiàn)了與彈體的共形，工作帶寬31 MHz，彈體軸向-58°～+58°范圍內(nèi)天線軸比小于2，實現(xiàn)了天線的圓極化。

關鍵詞:無線電引信；彈載天線；GPS天線；共形天線；寬頻帶天線

0引言

全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)[1]由于能夠全天候全球范圍內(nèi)為用戶提供精確的定位服務而備受人們的關注，并已廣泛應用于軍事、導航、測繪、科研等各個領域，天線作為GPS接收系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到GPS接收機的接收性能。目前彈載GPS天線[2]根據(jù)彈體氣動外形，采用GPS共形天線，有效解決了彈載GPS天線的抗高過載、彈體周向增益一致性的問題，但其工作帶寬只有10 MHz左右，工作帶寬過小增加了天線與信號處理電路的匹配難度。本文針對目前彈載GPS共形天線，在無線電引信特定尺寸和安裝環(huán)境下工作帶寬窄的問題，提出雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線。

1彈載GPS共形天線

圖1所示為一種典型的彈載GPS共形天線[2]，該天線為一種半波輻射結構，采用柔性介質板或者鑄模工藝將天線安裝在彈體表面，這種結構形式可以在不改變彈體外形結構的情況下，實現(xiàn)天線的輻射特性。

圖1　彈載GPS共形天線Fig.1　Missile borne GPS conformal antenna

天線輻射單元的長度L、品質因數(shù)Q和工作帶寬BW[3]理論上如下式所示：

(1)

(2)

(3)

式中，c是真空中的光速；ξr是介質板的相對介電常數(shù)；S代表天線輸入端電壓駐波系數(shù)；Q是天線的品質因數(shù)；f是天線的諧振頻率；h為介質板厚度。

由式(1)、式(2)、式(3)可以看出介質板的介電常數(shù)ξr越大天線的尺寸越?。幌喾唇殡姵?shù)ξr越小，厚度h越大天線的工作帶寬BW則越大；因此合理選擇介質板的介電常數(shù)和厚度是得到理想尺寸和工作帶寬天線的關鍵。

在特定尺寸條件下提高天線的工作帶寬可以利用非線性基板材料作為微帶天線的襯底，在非線性基板上的微帶貼片天線的尺寸w[3]為：

(4)

式(4)中，xmn是n階貝塞爾函數(shù)導數(shù)的第m個零點，με和εε分別為有效磁導率和有效介電常數(shù)。

目前彈載GPS共形天線[4]，采用單層介質板作為天線輻射單元的襯底，因此在無線電引信特定尺寸和安裝環(huán)境下，減小天線尺寸和增加天線工作帶寬成為一對相互制約的矛盾體。

2雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線

本文提出的雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線，利用雙層介質板介電常數(shù)不同，從而引起的非線性色散特性來提高天線的工作帶寬。所謂天線基板的非線性色散特性，即其有效磁導率隨頻率的升高而降低。通過調整介質板的厚度和介電常數(shù)，實現(xiàn)有效磁導率με隨相對工作頻率fr升高成平方地減小，由貝塞爾函數(shù)式(4)可知，με和fr成反比關系的情況下，天線在不同頻率上將對應同一個貼片尺寸。

如圖2所示，天線采用雙層介質板，上層介質板為柔性介質板，下層為大介電常數(shù)的陶瓷基板。將陶瓷基板加工成厚度一定的弧形嵌入彈體內(nèi)部，柔性板貼附在陶瓷基板的表面，上下兩種不同介電常數(shù)的介質板疊加形成非線性的天線基板。

圖2　雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線結構圖Fig.2　Double medium plate slotted projectile broadband GPS conformal antenna structure

通過公式(4)可以計算出天線的諧振長度w，確定天線長度后，通過調整天線饋電點位置和縫隙寬度d使得天線輸入阻抗和電路輸出阻抗實現(xiàn)匹配；再微調參數(shù)L確定天線的中心頻率；上述參數(shù)確定后，利用雙層介質板的非線性色散特性，通過調整介質板的介電常數(shù)和厚度，使得天線在相鄰頻點實現(xiàn)諧振，從而提高天線的工作帶寬。

3實驗驗證

為了驗證上述方法的可行性，利用全波電磁仿真軟件(HFSS)，對雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線進行了建模仿真。根據(jù)貝塞爾函數(shù)，通過調整兩介質板的厚度和介電常數(shù)，實現(xiàn)有效磁導率με隨相對工作頻率fr升高成平方地減小，并對貼片諧振長度w、天線饋電點位置、縫隙寬度d和長度L等參數(shù)進行優(yōu)化仿真，得到中心頻率在1.575 GHz，并具有理想工作帶寬的彈載GPS共形天線。根據(jù)理論計算和仿真優(yōu)化結果加工了雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線樣機。實物如圖3所示。

圖3　雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線樣機Fig.3　Double medium plate slotted projectile broadband conformal antenna prototype GPS

天線襯底長40 mm，上層柔性介質板介電常數(shù)2.2，厚度0.254 mm，下層介質板介電常數(shù)9.6，厚度3 mm，輻射單元w=26.4 mm，表面縫隙長度L=6 mm，縫隙寬度d=2 mm，饋電孔距離中心位置2 mm，切角的等邊三角形邊長為2 mm。

圖4所示為GPS彈載寬頻小型化共形天線輸入信號的反射參數(shù)S11，從測試結果可以看出天線在1.575 GHz反射參數(shù)為-12.5 dB，在1.554～1.585 GHz頻率范圍內(nèi)反射參數(shù)S11小于-10 dB。該彈載GPS共形天線利用雙層介質基板的非線性散射特性，實現(xiàn)了天線的寬頻帶諧振，使得天線的工作帶寬達到了31 MHz。

圖4　反射參數(shù)S11測試結果Fig.4　The reflection parameter S11 test results

圖5所示為彈載寬頻小型化共形天線的極化軸比，可以看出，在中心頻率1.575 GHz,天線的θ方向-58°～+58°范圍內(nèi)天線軸比小于2，性能滿足工程要求。圖6和圖7分別為彈體軸向天線方向圖的仿真與測試結果，從圖中可以看出仿真與測試結果基本吻合，天線向彈體周向輻射，最大增益為2.1 dB。

圖5　天線軸比Fig.5　Antenna axial ratio

圖6　彈體軸向方向圖仿真結果Fig.6　The axial direction of the missile body diagram simulation results

圖7　彈體軸向方向圖實測結果Fig.7　The axial direction of the missile body diagrammeasured results

4結論

本文提出了雙層介質板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線， 該天線采用雙層介質板作為天線輻射單元的襯底，通過兩種不同介電常數(shù)的介質板疊加形成非線性天線基板,其有效磁導率會隨頻率的升高成平方的減小，這樣就可以在不同的頻率上對應同一個貼片尺寸，從而拓展了天線的工作帶寬。仿真和樣機測試結果表明：該天線輻射單元實現(xiàn)了與彈體的共形，工作帶寬31 MHz，彈體軸向-58°～+58°范圍內(nèi)天線軸比小于2，實現(xiàn)了天線的圓極化。

參考文獻:

[1]王惠南.GPS導航原理與應用[M].北京：科學出版社，2003.

[2]Wayne Worrell. Guidance Integrated Fuze Demonstration Program[C]//53RDAnnual Fuze Confrence.US:NDIA,2009:187-217.

[3]林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[4]商鋒.應用于制導系統(tǒng)彈載天線的研究[J].宇航計測技術，2009(1)：1-3.

Double Medium Plate Slotted Projectile GPS Broadband Conformal Antenna

WEN Ruihu，CHEN Wei, WANG Haibin, FAN Yong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China)

Abstract:The current missile borne GPS conformal antenna of radio fuze with specific sizes the problem of the narrow-band, a double-layer dielectric plate slotted bomb load broadband conformal antenna with GPS was proposed. The antenna took double-layer dielectric plate as an antenna radiation unit of the substrate, two different dielectric constants of dielectric plate superposition formed nonlinear antenna substrate and its effective permeability would decrease with the frequency increasing. Simulation and prototype test results showed that the antenna radiating element was realized with the missile body.

Key words:radio fuze; missile borne antenna; GPS antenna; conformal antenna; broadband antenna

中圖分類號:TJ43

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0010-03

作者簡介:文瑞虎(1986—)，男，山西曲沃人，碩士，研究方向：微波技術。E-mail:wenruihu518@163.com。

*收稿日期:2015-11-02