無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法

何 博，李世中，張 亞

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 前言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)各種武器裝備外形設(shè)計(jì)愈加強(qiáng)調(diào)減小雷達(dá)反射面積以提高隱蔽性[1-2]，若要更加準(zhǔn)確地探測(cè)到目標(biāo)，無線電引信的輻射頻率需向著超高頻發(fā)展，毫米波探測(cè)技術(shù)在精確制導(dǎo)彈藥的尋的引信中得到了重要的應(yīng)用并已取得突破性的發(fā)展[3]，近年來大熱的太赫茲技術(shù)也被證明擁有著極大的引信探測(cè)的價(jià)值[4-5]。在提高輻射頻率的同時(shí)，引信探測(cè)天線也需具有高增益、高探測(cè)分辨力和測(cè)角精度的特點(diǎn)，以提升引戰(zhàn)配合性能。天線作為無線電引信的重要構(gòu)件，作用是把引信發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波信號(hào)輻射到自由空間，當(dāng)天線主波束照射到目標(biāo)并經(jīng)目標(biāo)散射后，由同樣波束形狀的天線接收，經(jīng)信號(hào)處理，最終形成引信起爆信號(hào)[6]。

角錐喇叭天線是高頻率頻段廣泛使用的天線，在太赫茲頻段總體尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造[7]。喇叭天線使波導(dǎo)開口面逐漸擴(kuò)大，改善了波導(dǎo)與自由空間的匹配，使得波導(dǎo)中傳輸?shù)慕^大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小，并且波導(dǎo)天線能夠承受較高過載環(huán)境[8]。

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)面對(duì)小雷達(dá)反射面積的目標(biāo)，無線電引信探測(cè)天線需具有高增益、高探測(cè)分辨力和測(cè)角精度的特點(diǎn)，提出了無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法。

1 天線模型計(jì)算與建立

設(shè)計(jì)的初始尺寸天線工作的中心頻率為256 GHz，頻段為224～288 GHz，增益要求為90(約19.5 dB)，波導(dǎo)選用型號(hào)為WR-3的矩形波導(dǎo)，角錐喇叭天線的三維模型如圖1所示。

圖1 角錐喇叭天線模型圖Fig.1 The model of a pyramid horn antenna

最佳增益設(shè)計(jì)公式如式(1)—式(5)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，λ為工作中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，RH與RE分別表示喇叭口E面和H面到喇叭虛焦點(diǎn)的距離，A為波導(dǎo)的高度，B為波導(dǎo)的高度，DE為喇叭口面寬度，DH為喇叭口面高度。

查表得到波導(dǎo)尺寸與計(jì)算得到喇叭天線的初始尺寸參數(shù)如表1所示。

喇叭天線作為面天線，口面相位差是一個(gè)需要注意的問題，口面相位差過大，天線主波束會(huì)有較多凹坑，輻射曲線深淺不分明，利用介質(zhì)透鏡可有效調(diào)相，提高天線的輻射性能。

表1 喇叭天線及波導(dǎo)初始尺寸

2 介質(zhì)透鏡選擇與建模

常用的喇叭天線分為圓錐喇叭天線和角錐喇叭天線。圓錐喇叭天線的口面是一個(gè)圓形，與天線的虛焦點(diǎn)形成一個(gè)圓錐，圓錐的母線都相等，所以電磁波由天線的虛焦點(diǎn)到口面的最大相位差是一定的，單曲面介質(zhì)透鏡方程也一定；角錐喇叭天線的口面是矩形，與天線虛焦點(diǎn)形成一個(gè)四棱錐，電磁波從虛焦點(diǎn)到達(dá)喇叭口面時(shí)，在天線輻射的E面、H面以及最大距離差面上需校正的相位差是不同的，對(duì)應(yīng)的介質(zhì)透鏡方程也就不同，所以分為三種情況如圖2所示。

圖2 三種情況下的介質(zhì)透鏡Fig.2 Dielectric lens in three cases

透鏡a為E面上相位差校正透鏡；透鏡b為H面上相位差校正透鏡；透鏡c為最大距離差面上相位差校正透鏡，圖中f為透鏡的焦距，t為透鏡的厚度。

介質(zhì)透鏡的曲面方程如式(6)：

(n2-1)x2+2f(n-1)x-y2=0

(6)

式(6)中，f為透鏡焦距，n為透鏡材料的折射率。

表2 三種不同情況介質(zhì)透鏡的尺寸

3 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

通過HFSS15.0軟件將三種介質(zhì)透鏡分別與角錐喇叭天線配合模擬仿真，得到了駐波比曲線與整個(gè)頻段的增益曲線如圖3、圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在分別添加三種介質(zhì)透鏡之后，天線的增益都得到了提高，但駐波比參數(shù)也不同幅度的提升。圖5為未添加介質(zhì)透鏡與添加介質(zhì)透鏡三種情況下天線的輻射方向圖，輻射曲線在添加介質(zhì)透鏡后都變得更加平滑。通過讀取圖3、圖4、圖5中的信息，得到天線在中心頻率的具體輻射參數(shù)如表3所示。

圖3 四種情況下天線駐波比曲線Fig.3 The VSWR of the antenna in four cases

圖4 四種情況下天線增益變化趨勢(shì)圖Fig.4 The gain of the antenna in four cases

圖5 四種情況下天線輻射方向圖Fig.5 Antenna radiation pattern in four cases

表3 四種情況下天線參數(shù)

通過表3顯示出，相比于未添加介質(zhì)透鏡的角錐喇叭天線，3種情況下的介質(zhì)透鏡都使天線的各項(xiàng)輻射參數(shù)發(fā)生一定的變化，具體變化如下：

1) 添加透鏡a的天線增益提高了1.54 dB，駐波比升高了0.332 1，E面旁瓣電平無較大變化、3 dB寬度減小1.143°，H面旁瓣電平減小了5.86 dB、3 dB寬度減小了1.084°；

2) 添加透鏡b的天線增益提高了1.93 dB，駐波比升高了0.211 8，E面旁瓣電平降低了2.59 dB、3 dB寬度減小2.41°，H面旁瓣電平減小了6.34 dB、3 dB寬度減小了1.14°；

3) 添加透鏡c的天線增益提高了1.18 dB，駐波比升高了0.260 4，E面旁瓣電平升高了3.9 dB、3 dB寬度無較大變化，H面旁瓣電平減小了7.79 dB、3 dB寬度無較大變化。

通過以上具體對(duì)比可得到，在添加透鏡后，天線的各項(xiàng)輻射參數(shù)愈加滿足無線電引信對(duì)探測(cè)天線的要求。特別是添加透鏡b后，天線增益提升量最大、駐波比升高量最小，在E面、H面旁瓣電平都得到了降低，提高了天線的抗干擾性，在H面半功率波束寬度最窄，提高了探測(cè)分辨力和測(cè)角精度，并且通過表2可以得到，基于H面添加的介質(zhì)透鏡尺寸最小、厚度最小、重量最輕。

圖6為三維極坐標(biāo)圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)，添加透鏡后喇叭天線輻射的球面波變成了平面波，改善了相位差帶來的損失，提高了天線的增益。

4 結(jié)論

本文提出了無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法。該方法利用三維電磁仿真軟件HFSS15.0建模了一種工作在256 GHz的角錐喇叭天線，并分別基于角錐喇叭天線E面、H面、最大距離差面加載介質(zhì)透鏡以改善天線輻射性能。仿真結(jié)果表明，基于H面添加介質(zhì)透鏡后，天線增益提升量最高(1.93 dB)、駐波比上升最小 (0.211 8)、E面旁瓣電平降低了2.59 dB、3 dB寬度減小2.41°，H面旁瓣電平減小了6.34 dB、3 dB寬度減小了1.14°，說明角錐喇叭天線基于H面添加介質(zhì)透鏡更好地滿足了無線電引信對(duì)天線的要求，并且相比于另外兩種情況，輻射性能更好，透鏡尺寸更小、重量更輕。此方法下雖然提高了引信探測(cè)天線的增益、探測(cè)分辨力與測(cè)角精度，但主波束的變窄使得探測(cè)范圍也將受到一定的約束。