基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線

王大鵬，王 震，徐利平，李勇軍

(西安機電信息技術(shù)研究所，西安 710065)

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【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線

王大鵬，王 震，徐利平，李勇軍

(西安機電信息技術(shù)研究所，西安 710065)

針對傳統(tǒng)毫米波引信天線無法兼顧寬波束、高增益、小尺寸的問題，提出了一種基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線；該天線由5個微帶貼片串聯(lián)構(gòu)成，天線尺寸僅為20 mm×8 mm，微帶貼片之間距離固定，通過頻率掃描方式改變天線主波束指向；毫米波引信在彈丸落地前根據(jù)落角信息計算出天線的主波束傾角，然后通過調(diào)整引信的工作頻率使頻掃天線主波束垂直照射到目標(biāo)；仿真與實測結(jié)果顯示：天線工作頻率為30.2～35.6 GHz，在整個頻帶內(nèi)增益均大于11 dB且幅值基本保持不變；天線通過頻掃方式其E面主波束探測角可以達(dá)到78°；該天線高增益、小尺寸，天線的頻掃特性使引信在不同落角情況下均能保持對目標(biāo)的最大探測能力。

引信天線；毫米波；頻掃天線；微帶天線陣列；準(zhǔn)行波天線

隨著毫米波技術(shù)的不斷成熟，近幾年來毫米波引信探測技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外引信技術(shù)研究的熱點，作為引信發(fā)射和接收終端的毫米波天線也成為當(dāng)前研究的主要課題之一。引信的落角范圍、結(jié)構(gòu)尺寸和炸高等技術(shù)指標(biāo)決定了引信天線必須具備以下3個特點：一是寬波束，天線主波束寬度必須能夠覆蓋引信落角范圍；二是小尺寸，天線必須能夠在狹小空間內(nèi)安裝；三是高增益。天線增益要盡量高一些以便提高引信的探測靈敏度和探測精度。傳統(tǒng)的毫米波引信多采用單片微帶天線或壓縮波導(dǎo)縫隙天線等占用空間較小的天線，這些天線具有波束較寬、體積小的優(yōu)點，能夠保證毫米波引信在大落角變化范圍下對目標(biāo)探測信號的一致性，但天線增益相對較低，影響了探測器的探測靈敏度和精度。

頻掃天線具有增益高、主波束方向可以隨著天線工作頻率的變化而變化的特點，同時可以很好兼顧引信的大落角變化范圍和天線高增益的要求。文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種用于彈體前端的毫米波微帶準(zhǔn)行波引信天線，該天線增益大于12 dB，在32.6～37.1 GHz范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描可以獲得彈體子午面任意傾角θ±20°天線波束掃描。其缺點是天線尺寸較大且波束掃描角度較窄，當(dāng)引信落角范圍較大時無法使用。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]介紹了一種波導(dǎo)縫隙陣列毫米波引信天線，天線均具有高增益、可在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描的特點，但由于天線尺寸過大，無法在炮彈等常規(guī)彈藥毫米波引信上使用。

針對傳統(tǒng)毫米波引信天線無法兼顧寬波束、小尺寸、高增益的問題，本文提出了一種基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線。

1 準(zhǔn)行波微帶天線

任何一個橫電磁波(TEM)傳輸結(jié)構(gòu)都可以改造成一個行波天線[4]。行波天線的結(jié)構(gòu)有多種形式，例如采用微帶梳狀線串聯(lián)結(jié)構(gòu)[5]，微帶矩形貼片串聯(lián)結(jié)構(gòu)[6-8]，微帶偶極子貼片串聯(lián)結(jié)構(gòu)[9]，波導(dǎo)縫隙陣列結(jié)構(gòu)[10]等，它們都是通過在微帶天線終端接各種形式的負(fù)載實現(xiàn)天線的行波傳輸功能。行波天線終端負(fù)載會消耗部分傳輸入行波天線的能量，導(dǎo)致天線的傳輸效率降低。為提高行波微帶天線的傳輸效率，可采用微帶貼片級聯(lián)方式構(gòu)成微帶串饋天線陣列[11]，陣列中每一個微帶貼片都作為前一個貼片的負(fù)載，通過調(diào)節(jié)各個微帶貼片和饋線的寬度使微帶天線串饋陣列輸入阻抗匹配到50 Ω。相比端接負(fù)載的行波天線，該微帶天線傳輸?shù)牟⒎菄?yán)格意義上的行波，故稱為準(zhǔn)行波微帶天線。

準(zhǔn)行波微帶天線各單元之間的相位關(guān)系可通過變化各微帶貼片單元之間的距離來調(diào)節(jié)。該天線陣列由一端饋電，各微帶貼片單元之間通過饋線串聯(lián)，可以通過調(diào)整微帶貼片單元之間的距離獲得希望的任意波束指向。準(zhǔn)行波微帶天線示意圖如圖1。

圖1 準(zhǔn)行波微帶天線示意圖

假設(shè)天線主波束傾角θ從饋電端算起，其計算公式[1]為

(1)

其中：λ0為電磁波在空氣中的波長；d為輻射貼片單元之間的距離；λe為電磁波在介質(zhì)中的波長，其計算公式[1]為

(2)

其中ξr為天線基板的介電常數(shù)。

由式(1)可得：通過調(diào)節(jié)微帶貼片單元間距可實現(xiàn)天線的主波束傾角θ為從饋電端到負(fù)載端的任意角度值。當(dāng)微帶貼片單元間距d<λe時，天線主波束偏向饋電端；當(dāng)微帶貼片單元間距d>λe時，天線主波束偏向負(fù)載端。

2 準(zhǔn)行波微帶頻掃天線

頻掃天線全稱為頻率掃描天線，是指天線波束指向隨頻率的少量改變而有規(guī)律地大范圍改變的天線。本文所設(shè)計的基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線采用5個微帶貼片串聯(lián)的方式，天線長20 mm，寬8 mm，較小的尺寸使其可以很輕松地安裝于彈體頭部或側(cè)壁。此處以該天線安裝于彈體側(cè)壁的方式說明天線的頻掃特性與彈體落角的匹配特性。

如圖2所示，彈頭方向沿X軸正向，天線饋電方向與彈頭方向相同。天線正面由5個微帶輻射貼片組成的微帶串饋陣，背面覆銅作為接地面，天線饋電端開有直徑為0.6 mm 的通孔，從天線背面通過通孔對天線進(jìn)行饋電。采用3 mm厚聚四氟乙烯風(fēng)帽對微帶天線進(jìn)行保護(hù)，風(fēng)帽內(nèi)表面距天線高度4 mm，外表面與彈體共形。

圖2 毫米波引信微帶頻掃天線模型

天線基板采用羅杰斯4350B板材，相對介電常數(shù)為3.5，厚度為0.254 mm。微帶貼片單元尺寸可根據(jù)公式[6]計算得：長度為2.4 mm，寬度為2.9 mm。貼片單元間距d主要由主波束傾角決定。取彈體落角θ1=70°，此時若要天線主波束傾角θ垂直照射到地面，則主波束傾角θ=90°-θ1=20°。由式(1)和式(2)得，微帶貼片輻射單元間距d為

(3)

由上式計算可得天線主波束傾角θ=20°時，微帶貼片輻射單元間距d為3 mm。

為觀察微帶貼片輻射單元間距d為3 mm時天線的頻掃特性，將式(2)代入式(1)得：

(4)

由上式可以看出，天線的主波束傾角隨著工作頻率的變化而變化。當(dāng)微帶貼片輻射單元間距d=3 mm，天線工作頻率從31 GHz掃描到35 GHz時，主波束傾角從12°變化到50°。

3 天線特性仿真及實驗驗證

3.1 天線特性仿真

用Ansoft HFSS軟件建立的天線和風(fēng)帽模型如圖2所示。天線基板選用0.254 mm厚的羅杰斯4350B板材，微帶貼片單元長L=2.4 mm，寬W=2.9 mm，微帶貼片單元間距d=3 mm，風(fēng)帽選用3 mm厚聚四氟乙烯材料，風(fēng)帽內(nèi)表面距天線高度為4 mm。其中彈頭方向沿X軸正向且與天線饋電方向相同。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線電壓駐波比VSWR

由圖3可以看出，該天線在30.5～35.7 GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的輸入阻抗特性(電壓駐波比VSWR<2)，相對頻帶寬度達(dá)到15.7%；其中，圖4為頻掃天線在30.5 GHz、32 GHz、34 GHz、35.7 GHz四個頻點的天線3D方向圖；圖5為頻掃天線工作頻率為34 GHz時天線E面與H面輻射方向圖；圖6為頻掃天線E面頻掃特性圖，圖中分別給出了天線工作在31 GHz，32 GHz、33 GHz、34 GHz、35 GHz五個頻點時的天線E面方向圖。

圖4 頻掃天線在4個頻點的3D方向

圖5 天線E面與H面輻射方向

圖6 天線的E面頻掃特性

圖4、圖5和圖6的仿真結(jié)果顯示：當(dāng)微帶貼片單元間距d=3 mm，天線工作頻率為34 GHz時，天線主波束傾角θ=20°，E面(XOZ面)內(nèi)半功率波瓣寬度為30°，H面(YOZ)內(nèi)半功率波瓣寬度為156°；天線在工作頻率范圍內(nèi)增益均大于11 dB，當(dāng)天線工作頻率從31 GHz掃描到35 GHz時，天線的主波束傾角θ從52°變化到14°。仿真結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。

由仿真結(jié)果可計算得：當(dāng)天線工作頻率從30.5 GHz掃描到35.7 GHz時，天線主波束傾角可變化47°。由于天線E面波束寬度為30°，則該頻掃天線正常工作時E面的探測角度范圍可以達(dá)到77°。

3.2 實驗驗證

3.2.1 天線輸入阻抗特性測試

基于圖2的仿真模型及天線模型具體尺寸參數(shù)值，本文對所設(shè)計的小型化毫米波頻掃微帶天線進(jìn)行了實際加工制作，天線基板選用羅杰斯4350B，介電常數(shù)為3.5，板材厚度為0.254 mm，天線線陣長17 mm，寬2.9 mm，風(fēng)帽選用介電常數(shù)為3.5，厚度為3 mm聚四氟乙烯材料。圖7為加工天線的實物照片。

圖7 毫米波準(zhǔn)行波頻掃微帶天線實物照片

如圖8所示，采用安立知37369C適量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的電壓駐波比(VSWR)進(jìn)行測量。為保證測量精度，測試時首先將天線焊接到天線座體上以保證天線背面完全接地，天線座體的背面安裝有K型接頭，天線饋電孔與K型接頭之間由玻璃絕緣子進(jìn)行連接。最后將K型接頭連接到適量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試電纜。

圖8 天線電壓駐波比測試圖片

由圖9可以看出，天線中心頻率為33 GHz，在30.2～35.6 GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的輸入阻抗特性(電壓駐波比VSWR<2)，相對頻帶寬度達(dá)到16.3%。測試結(jié)果(30.2～35.6 GHz)與仿真結(jié)果(30.5～35.7 GHz)基本吻合。

圖9 天線電壓駐波比VSWR實測結(jié)果

3.2.2 天線頻掃特性測試

在微波暗室對天線的頻掃特性進(jìn)行了測試。測試方法為將待測天線作為發(fā)射端固定在旋轉(zhuǎn)臺上，用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)天線作為接收端連接至頻譜儀進(jìn)行遠(yuǎn)場接收，收發(fā)天線之間的距離R=20 m(滿足遠(yuǎn)場測試條件：R>2D2/λ,D為接收天線口徑，λ為天線工作波長)，收發(fā)天線的架設(shè)高度均為4 m。旋轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)兩度記錄一次數(shù)據(jù)。圖10為天線E面頻掃特性測試圖片。圖11為天線E面頻掃特性測試結(jié)果。

圖10 天線E面頻掃特性測試圖片

圖11 天線E面頻掃特性測試結(jié)果

從圖11可以看出，當(dāng)天線工作頻率從31 GHz掃描到35 GHz 時，天線增益大于11 dB且幅值基本不變，天線E面波束傾角θ從48°變化到12°。 實測該天線相對帶寬達(dá)到16.3%，經(jīng)計算得：當(dāng)天線工作頻率從30.2 GHz掃描到35.6 GHz時，天線E面波束傾角可變化48°，由于天線E面波束寬度為30°，則該頻掃天線正常工作時E面的探測角度范圍可以達(dá)到78°，能夠滿足一般毫米波引信的使用要求。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。兩者之間的差異主要是由于天線加工誤差引起的，實際加工的天線微帶貼片之間的距離d略小于設(shè)計值(d=3 mm)從而導(dǎo)致天線主波束傾角實測結(jié)果略小于仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于毫米波引信的基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線。該微帶頻掃天線主波束傾角θ隨著天線工作頻率變化而變化的特性使引信在不同落角情況下均能保持對目標(biāo)的最大探測能力。仿真與實測結(jié)果表明：天線工作頻率為30.2～35.6 GHz(電壓駐波比VSWR<2)，在整個頻帶內(nèi)增益均大于11 dB且幅值基本不變；該頻掃天線正常工作時E面的探測角度范圍可以達(dá)到78°；天線尺寸僅為20 mm×8 mm，可以方便地安裝于彈體頭部或側(cè)壁任何部位，能夠滿足一般毫米波引信的使用要求。該微帶頻掃天線是一種性能較好、實用性很強的毫米波引信天線。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

A Frequency Scanning Microstrip Antenna Based on Quasi-Traveling Wave Array for Millimeter Wave Fuzes

WANG Da-peng, WANG Zhen, XU Li-ping, LI Yong-jun

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

A frequency scanning microstrip antenna based on quasi-traveling wave array for millimeter wave fuzes was designed to solve the problem that traditional millimeter wave fuze antenna cannot take into account the wide beam, high gain and small size. This antenna consists of five space-fixed series microstrip patches with the size of 20 mm×8 mm. The main beam direction was changed along with frequency scanning. According to the impact angels, the main beam of the frequency scanning antenna was irradiated vertically to the target by adjusting the fuze frequency. Simulated and measured results showed that the antenna had good performance between 30.2～35.6 GHz and the gain is greater than 11 dB; The antenna E plane can cover 78° by frequency scanning. With the high-gain and small-size frequency scanning antenna, the fuze can keep the best performance of target detection at different impact angles.

fuze antenna; millimeter wave; frequency scanning antenna; microstrip antenna array; quasi-traveling wave antenna

2017-03-09；

2017-03-30

王大鵬(1984—)，男，工程師，主要從事無線電引信研究。

10.11809/scbgxb2017.06.034

format:WANG Da-peng, WANG Zhen, XU Li-ping, et al.A Frequency Scanning Microstrip Antenna Based on Quasi-Traveling Wave Array for Millimeter Wave Fuzes[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):156-160.

TJ43+4.1

A

2096-2304(2017)06-0156-05

本文引用格式：王大鵬，王震，徐利平，等.基于準(zhǔn)行波陣的毫米波引信微帶頻掃天線[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(6):156-160.