應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈的介質(zhì)波導(dǎo)天線

鄭小燕，王 程，文瑞虎

(機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

超高速制導(dǎo)炮彈與常規(guī)彈藥相比彈速較高，彈目交會速度是傳統(tǒng)炮彈的兩倍以上，過載可達(dá)到30 000g以上，而且破片動態(tài)飛散主要集中在彈體前方，在相同起爆控制時間條件下，要求引信的探測距離更遠(yuǎn)、抗過載能力更強(qiáng)和飛行過程抗燒蝕性能更好，所以對天線的質(zhì)量、體積、結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提出了更高的要求。

波導(dǎo)天線已廣泛應(yīng)用于無線電探測、機(jī)載、導(dǎo)航、氣象和通信領(lǐng)域，相比其他種類的天線，具有承受功率高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作頻帶寬、低副瓣等特點(diǎn)[1]。但典型的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)天線無法滿足超高速炮彈極其嚴(yán)格的空間、過載、抗燒蝕、及探測性能等各種條件的要求。現(xiàn)有的彈載無線電引信探測器天線形式有微帶天線、振子天線、螺旋天線[2]，其天線與風(fēng)帽均為獨(dú)立的分體結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)一是不利于小型化設(shè)計，二是在高溫?zé)g下，風(fēng)帽變形會引起天線性能的變化。目前尚未有應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈引信天線的相關(guān)報道，超高速制導(dǎo)炮彈采用低阻設(shè)計，頭部尖細(xì)，彈體頭部的空間利用相對困難。對引信探測距離，接收靈敏度、和天線增益等指標(biāo)要求苛刻，如果采用微帶面陣天線勢必要增加天線直徑，對彈體頭部設(shè)計增加困難。而采用介質(zhì)波導(dǎo)天線，可以有效利用彈體鼻椎部分來提高天線增益。且由于超高速制導(dǎo)炮彈在高速飛行中頭部駐點(diǎn)位置與空氣磨擦產(chǎn)生極高的氣動熱，根據(jù)某型高速火箭彈飛行試驗(yàn)測試結(jié)果，分體設(shè)計的天線風(fēng)帽經(jīng)過高速飛行后會在天線風(fēng)帽底部產(chǎn)生明顯的燒蝕變形，對天線的輻射方向圖產(chǎn)生影響。本文針對此問題，提出了應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈的介質(zhì)波導(dǎo)天線。

1 介質(zhì)波導(dǎo)天線

波在介質(zhì)桿中傳播的相速以及在介質(zhì)桿外與桿內(nèi)的導(dǎo)波功率之比，都是桿徑的波長數(shù)和桿材的介電常數(shù)之函數(shù)[5]。對于直徑D<λ/4的介質(zhì)桿，只有很少的導(dǎo)波效應(yīng)和很小部分的能量被限制在桿內(nèi)[6]；桿內(nèi)的相速也接近在其周圍媒質(zhì)(自由空間)中的值。然而，當(dāng)直徑達(dá)波長量級時，大部分功率被約束在桿內(nèi)；為了提高定向性，應(yīng)取均勻介質(zhì)桿(長Lλ>2而2<ξr<5)的直徑之自由空間波長數(shù)Dλ [7]為：

(1)

實(shí)際使用的聚四氟乙烯桿的直徑在圓波導(dǎo)中傳輸最低(TE11)模，在0.5λ～0.3λ范圍內(nèi)；桿徑可以是均勻的，也可以如圖1所示錐削以減少副瓣。圖中的桿徑可以先均勻后錐削，由粗端的0.5λ漸變成遠(yuǎn)端的0.3λ。圖2為這種介質(zhì)桿的輻射場波瓣圖。

按一級近似，沿長度均勻激勵的介質(zhì)桿天線，計算其輻射波瓣圖時可假設(shè)成各向同性點(diǎn)源連續(xù)陣，具有每波長360°×(1+1/2Lλ)相移的等幅分布，其中Lλ是天線總長度的自由空間波長數(shù)。該相對場強(qiáng)的波瓣圖作為始于軸的角θ之函數(shù)為：

(2)

應(yīng)用謝昆諾夫等效源原理，只要已知介質(zhì)桿表面的場就能計算輻射場。按此原理，桿表面的場被置換成等效電流片和虛擬磁流片，然后根據(jù)這些流源計算輻射場。

介質(zhì)桿天線的定向性D近似為：

D≈8Lλ

(3)

并且，半功率波束寬度為：

(4)

式(3)、式(4)中，Lλ為桿長度的自由空間波長數(shù)。

2 超高速應(yīng)用的介質(zhì)波導(dǎo)天線

為了提高天線增益，并且降低風(fēng)帽燒蝕給天線性能造成的影響，本文采用天線與風(fēng)帽的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

金屬圓波導(dǎo)的直徑是天線工作中心頻率的決定性因素。金屬圓波導(dǎo)采用鋁金屬材料，采用空心圓柱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為天線輻射單元的主體。根據(jù)天線工作中心頻率確定金屬圓波導(dǎo)的直徑，表1為標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo)主要參數(shù)表X波段節(jié)選，參考參數(shù)表選取X波段圓波導(dǎo)半徑。為了驗(yàn)證最小尺寸下天線的探測性能，選取金屬圓波導(dǎo)半徑為7.544 mm左右。

表1 X波段標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo)主要參數(shù)表

Tab.1 Main parameters of X band standard circular waveguide

波導(dǎo)型號(國際)半徑a/mm截止頻率/GHzTE11模衰減/(dB/m)TE11TM01TE01頻率/GHz理論值 最大值C10410.1228.6811.318.110.420.1220.15C1208.73710.0013.120.912.070.152 4—C1407.54411.615.224.213.980.189 3—

金屬圓波導(dǎo)的高度根據(jù)波導(dǎo)天線的增益來進(jìn)行調(diào)整，在滿足無線電引信整體輪廓尺寸條件下，通過調(diào)整波導(dǎo)的高度，完成絕緣子饋電探針的阻抗匹配和天線需要達(dá)到的增益要求。通過對金屬圓波導(dǎo)的直徑進(jìn)行微調(diào)，并進(jìn)行參數(shù)仿真確定天線的中心工作頻率。

絕緣子饋電探針離底深度初始值設(shè)為1/4λ，通過絕緣子饋電探針對天線輻射單元金屬圓波導(dǎo)進(jìn)行饋電，天線與射頻發(fā)射鏈路之間采用絕緣子同軸饋電，在天線中心頻率確定后，通過調(diào)整絕緣子饋電探針的長度、距離金屬圓波導(dǎo)的距離使得射頻輸入信號與天線輻射單元實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

通過式(3)、式(4)和指標(biāo)要求的頻率以及天線的增益來確定介質(zhì)桿的長度，介質(zhì)桿頂端的尺寸可以根據(jù)指標(biāo)要求的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計。介質(zhì)桿采用錐形結(jié)構(gòu)，漸變錐形結(jié)構(gòu)可以降低天線的副瓣提高天線增益，既做為天線輻射單元的一部分，又有無線電引信風(fēng)帽的作用，可以作為天線單元的測試結(jié)構(gòu)，也可以直接與射頻電路板焊接后進(jìn)行連調(diào)測試。

相對于傳統(tǒng)的彈載無線電引信天線與風(fēng)帽獨(dú)立的設(shè)計結(jié)構(gòu)，這種一體化結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于加工，這種天線與風(fēng)帽的一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)使天線具有更強(qiáng)的抗高過載性能。將介質(zhì)桿嵌入金屬圓波導(dǎo)中，既可以縮短天線輻射單元長度，提高天線增益，有效降低了發(fā)射信號的傳輸損耗，并可以通過探針饋入金屬圓波導(dǎo)腔體內(nèi)的長度和探針距離波導(dǎo)腔底的高度，調(diào)整天線的中心頻率并對天線的輸入信號駐波比進(jìn)行優(yōu)化。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真優(yōu)化設(shè)計

采用全波電磁仿真軟件(HFSS)，對應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈的介質(zhì)波導(dǎo)天線進(jìn)行了建模仿真，包括金屬圓波導(dǎo)、絕緣子饋電探針和介質(zhì)桿的設(shè)計。根據(jù)天線工作中心頻率確定金屬圓波導(dǎo)的直徑，一般取圓波導(dǎo)直徑D=λg，其中,λg為波導(dǎo)波長，天線增益與圓波導(dǎo)口直徑和圓波導(dǎo)長度成正比，波導(dǎo)口直徑越大，波導(dǎo)越長則天線增益越高。受制于彈體外形，波導(dǎo)口直徑最大只能等于波導(dǎo)波長λg，因此只能在有限長度條件下調(diào)整金屬圓波導(dǎo)和介質(zhì)桿長度比例，以及介質(zhì)桿介電常數(shù)來提高天線的增益。為方便天線測試，滿足抗過載要求，將饋電探針設(shè)計為0.9 mm，通過調(diào)節(jié)探針深入圓波導(dǎo)的長度和距離圓波導(dǎo)底部的距離，得到天線的理想工作帶寬。為提高天線輻射效率，并兼顧天線輻射單元的尺寸大小，介質(zhì)桿的設(shè)計選用介電常數(shù)ξr為2.25的聚四氟乙烯作為天線輻射單元的襯底材料，外形與引信風(fēng)帽共形同為圓錐形結(jié)構(gòu)。

設(shè)計結(jié)果如下：金屬圓波導(dǎo)直徑14 mm，高度34 mm；絕緣子饋電探針直徑0.9 mm，長度5.6 mm，距離金屬圓波導(dǎo)底部距離4.3 mm；介質(zhì)桿為下底面半徑為9.2 mm，上底面半徑為6.8 mm，高度29 mm，弧度為R4 500 mm的錐形結(jié)構(gòu)。絕緣子饋電探針采用同軸結(jié)構(gòu)；金屬圓波導(dǎo)采用鋁合金為加工材料；介質(zhì)桿選用聚四氟乙烯。建模仿真如圖4所示，根據(jù)仿真模型尺寸加工天線，實(shí)物如圖5所示。

3.2 仿真與實(shí)測對比

圖6、圖7分別為介質(zhì)波導(dǎo)天線輸入端口的S11反射參數(shù)的仿真和實(shí)測結(jié)果。由圖可見，仿真和測試結(jié)果基本一致，在頻率11～12 GHz范圍內(nèi)反射參數(shù)均小于-10 dB，實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻帶要求。圖8、圖9分別為介質(zhì)波導(dǎo)天線的E面方向圖的仿真和測試結(jié)果，從測試結(jié)果可以看出天線最大增益為12.4 dB，半波束寬度為43°，實(shí)現(xiàn)了天線的高增益，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

3.3 防燒蝕仿真分析

建立天線燒蝕模型如圖10所示，與原始模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證對比，結(jié)果如圖11所示，可見：在采用風(fēng)帽和天線一體化設(shè)計的波導(dǎo)介質(zhì)天線在燒蝕前后性能基本不變，可滿足超高速制導(dǎo)炮彈在防燒蝕方面的需求。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計了應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈的介質(zhì)波導(dǎo)天線，該天線輻射單元主體采用金屬圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，天線與射頻發(fā)射鏈路之間采用絕緣子同軸饋電結(jié)構(gòu)，采用天線與無線電引信風(fēng)帽一體化設(shè)計，具有高增益，耐高溫腐蝕，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、易于加工生產(chǎn)等特點(diǎn)。天線最大處直徑14 mm，高度63 mm，工作帶寬1.03 GHz，增益12.4 dB。實(shí)測結(jié)果表明，該介質(zhì)波導(dǎo)天線不僅適用于超高速制導(dǎo)炮彈對外形尺寸的嚴(yán)格要求，而且在抗燒蝕、及探測性能各種測試條件下工作頻帶寬，增益高，與仿真結(jié)果基本一致，可以應(yīng)用于超高速制導(dǎo)炮彈的無線電引信探測。

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