一種小型化諧波雷達(dá)引信天線及天線罩設(shè)計(jì)

亓 東，王孟倫，李 曉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

諧波雷達(dá)體制引信，利用目標(biāo)的非線性特性產(chǎn)生的三次諧波信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)尤其是人造金屬結(jié)構(gòu)目標(biāo)的判別。相對(duì)于常用體制引信，能夠提供更為豐富的信息、更強(qiáng)的抗轉(zhuǎn)發(fā)式以及壓制式干擾能力[1]。該體制引信接收信號(hào)頻率一般為發(fā)射信號(hào)頻率的三倍或者更高，這就對(duì)引信收發(fā)天線的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。常規(guī)體制無(wú)線電引信多采用共形的波導(dǎo)或微帶天線形式，當(dāng)收發(fā)頻差較大時(shí)，普通形式大尺寸或兩種結(jié)構(gòu)形式的天線將面臨安裝復(fù)雜化帶來(lái)的強(qiáng)度降低以及結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而單一形式常用的雙頻天線難以實(shí)現(xiàn)跨波段的較大頻率跨越[2]。

設(shè)計(jì)了一種以X波段為基頻發(fā)射天線、以Ka波段為接收天線的共口徑收發(fā)引信天線形式，實(shí)現(xiàn)了諧波雷達(dá)引信天線的結(jié)構(gòu)緊湊性和模塊化安裝；同時(shí)為提高引信接收機(jī)信噪比，減小有源器件帶來(lái)的高寬帶噪聲影響，提高抗寬帶干擾能力，為天線設(shè)計(jì)了一種雙頻窄帶引信天線罩，在起到隔熱整流效果的同時(shí)，提高引信的頻率選擇接收能力，降低了天線系統(tǒng)的平面安裝復(fù)雜程度，優(yōu)化了接收系統(tǒng)的整體效能。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 天線系統(tǒng)組成

考慮武器系統(tǒng)彈體表面安裝空間的緊湊性以及空氣動(dòng)力的影響，無(wú)線電引信天線不能占據(jù)過(guò)多的徑向空間以及表面尺寸，引信收發(fā)天線需要選用一種徑向尺寸較小的天線形式。微帶天線一般采用柔性基板蝕刻的形式，具有利于安裝及結(jié)構(gòu)共形的特點(diǎn)，可以作為該需求下的實(shí)現(xiàn)方案。

對(duì)于彈體全向探測(cè)的引信天線形式，周向的探測(cè)能力取決于天線的覆蓋性能，同時(shí)又進(jìn)一步?jīng)Q定了射頻通道的數(shù)量。選用的微帶貼片天線作為單元的基本實(shí)現(xiàn)形式，單元的E面寬度即決定了單套天線的周向覆蓋角度[3-9]。

選用的發(fā)射基頻天線以及諧波接收天線的周向?qū)挾确謩e如圖1所示。

圖1 天線方向圖

微帶貼片天線的周向波束寬度在75°左右，因此對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要沿彈體方向設(shè)置5個(gè)獨(dú)立的射頻通道，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全向360°范圍的覆蓋；同時(shí)，可通過(guò)對(duì)多通道回波信號(hào)的比幅判別計(jì)算，理論上達(dá)到對(duì)全向范圍內(nèi)的目標(biāo)精確定向探測(cè)。天線的周向布局如圖2所示。

圖2 天線構(gòu)架圖

1.2 天線罩功能

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，為起到隔熱整流的效果，一般采用輕質(zhì)耐高溫的復(fù)合材料作為安裝于彈體表面外置天線罩形式。將頻率選擇技術(shù)應(yīng)用于以復(fù)合材料為基底制造的引信天線罩中，使單個(gè)天線罩工作于X、Ka兩個(gè)不同的工作頻段中，在相對(duì)于工作頻率的窄帶范圍內(nèi)，天線罩對(duì)天線收發(fā)信號(hào)保持正常的透波，對(duì)兩頻率點(diǎn)帶外的信號(hào)進(jìn)行阻帶抑制，可有效降低由于混合結(jié)構(gòu)微帶天線帶來(lái)的多諧振點(diǎn)造成的有源噪聲抬高。從RCS觀點(diǎn)來(lái)看，采用該種形式天線罩后，導(dǎo)彈無(wú)線電引信在工作頻點(diǎn)內(nèi)是透明的，對(duì)于工作頻段外的有源干擾及轉(zhuǎn)發(fā)探測(cè)信號(hào)，引信處于透明狀態(tài)。

2 天線及天線罩設(shè)計(jì)

2.1 天線設(shè)計(jì)

雙頻段共口徑天線的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于天線結(jié)構(gòu)形式的選取、陣面布局及饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

根據(jù)引信天線的探測(cè)需求，單個(gè)引信陣列需要實(shí)現(xiàn)彈體軸向的窄波束低副瓣設(shè)計(jì)，需要采用能夠提夠錐削分布的并行或串行饋電網(wǎng)絡(luò)，以多個(gè)單元線性陣列的方式完成單陣列的組陣。接收天線頻率為發(fā)射天線頻率的三次諧波，因此X波段天線陣單元間距基本為Ka波段天線單元間距的3倍。兩饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱陣列并行放置，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)單元幅相饋電[10-12]。

對(duì)于復(fù)合了基頻及三次諧波的收發(fā)兩種天線，多個(gè)貼片及復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)相互之間的串?dāng)_將非常嚴(yán)重。為減小復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的寄生輻射，降低不同頻段間的耦合，避免大尺寸饋線造成的空間尺寸的不足，采用了多層結(jié)構(gòu)將基頻和諧波頻率饋電網(wǎng)絡(luò)放置在不同的介質(zhì)層上，貼片天線單元采用分層放置的形式，同一層的基頻與諧振頻率之間、天線之間拉開(kāi)一定的間距以降低頻間互耦現(xiàn)象。

天線的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)由微帶貼片單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)基板和接地板組成，其中介質(zhì)基板共6層，最上面兩層基板為Rogers 5880 的兩層厚度為0.508 mm的介質(zhì)基板，Ka波段接收天線單元蝕刻于介質(zhì)基板的最上層，饋電耦合縫隙位于第1層基板與第2層基板之間，發(fā)射天線饋線位于第2層下部。從第3層介質(zhì)基板分布X波段發(fā)射天線單元、帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)，為改善發(fā)射天線單元輻射性能，在兩層帶狀線基板與天線單元基板之間增加介電常數(shù)為1.06的PMI鋼化發(fā)泡材料。天線整體將發(fā)射及接收微帶單元或饋線分布在不同層的基板上。為進(jìn)一步降低耦合，在交錯(cuò)分布的第3層拉開(kāi)一定的橫向距離，增大兩端口之間的信號(hào)串?dāng)_。

圖3 天線切面結(jié)構(gòu)圖

在微帶饋電線及上層輻射貼片之間，天線采用H形饋電耦合縫隙，以提供較好的饋電效率和極化純度，如圖4所示，除貼片單元尺寸外，H形縫隙的尺寸對(duì)諧振頻率及諧振電阻均由較大的影響。在現(xiàn)有介質(zhì)基板分層條件下，分別對(duì)縫隙的臂長(zhǎng)及長(zhǎng)度進(jìn)行仿真優(yōu)化，結(jié)合微帶貼片的設(shè)計(jì)，完成天線單元的諧振設(shè)計(jì)。

圖4 H形耦合縫隙

整體設(shè)計(jì)后的天線基頻天線單元與諧波天線單元外形仿真外形如圖5所示。

圖5 雙單元計(jì)算模型

兩單元諧振計(jì)算曲線如圖6、圖7所示。

圖6 基頻發(fā)射天線諧振曲線

圖7 諧波接收天線諧振曲線

經(jīng)對(duì)貼片單元、饋電耦合縫隙、結(jié)構(gòu)尺寸等敏感參數(shù)的調(diào)整，基頻發(fā)射天線設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)在11.03 GHz的反射系數(shù)S11≤27 dB,曲線諧振點(diǎn)較設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離0.03 GHz，但由于曲線整體S11≤-15 dB大于500 MHz范圍較寬，不影響發(fā)射天線的設(shè)計(jì)使用,諧波接收天線諧振最低在33.1 GHz，諧振頻率為發(fā)射天線的3倍。

天線采用8個(gè)單元的線性陣列設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)以并饋不等分不同相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式。為實(shí)現(xiàn)低副瓣設(shè)計(jì)，收發(fā)天線功分網(wǎng)絡(luò)均采用Haming分布，理論電壓分配比設(shè)計(jì)為：0.084∶0.265∶0.673∶1∶1∶0.673∶0.265∶0.084，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)波束的前傾探測(cè)，對(duì)線性陣列進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配相設(shè)計(jì)[13-15]，即將各個(gè)單元的相位通過(guò)調(diào)整饋線長(zhǎng)度的方式使單元相位步進(jìn)遞增，設(shè)計(jì)完成后的8元不等分饋電網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8 不等分饋電網(wǎng)絡(luò)

將兩不等分不等相饋電網(wǎng)絡(luò)與8元天線貼片級(jí)聯(lián)，完成線性陣列整體設(shè)計(jì)，計(jì)算完成后的基頻發(fā)射天線及諧波接收天線方向如圖9、圖10所示，所設(shè)計(jì)的引信收發(fā)天線實(shí)現(xiàn)了波束前傾設(shè)計(jì)，天線前向整體副瓣電平優(yōu)于-20 dB。

圖9 發(fā)射天線方向圖

圖10 接收天線方向圖

2.2 雙頻天線罩設(shè)計(jì)

通過(guò)天線的頻選設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)三次諧波雙頻窄帶選擇功能，更好的抑制帶外的信號(hào)干擾。天線罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于天線罩內(nèi)部蝕刻的頻率選擇單元的設(shè)計(jì)以及天線罩的整體制造方式。

2.2.1 頻率選擇單元設(shè)計(jì)

FSS(frequency selective surface)單元的選擇是實(shí)現(xiàn)雙頻窄帶天線罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。FSS單元設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)為在保證引信天線罩基本透射功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)FSS單元形狀及整體結(jié)構(gòu)的良好設(shè)計(jì)，使頻域特性呈現(xiàn)通帶濾波的特點(diǎn)。因此，F(xiàn)SS單元的諧振選擇及設(shè)計(jì)是功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

FSS傳輸特性的主要參數(shù)有中心頻率、帶寬以及傳輸系數(shù)等，這與FSS單元的大小、形狀和周期排布方式、電磁波的極化方式等有關(guān)。FSS設(shè)計(jì)中陣列周期的選擇應(yīng)主要考慮避免結(jié)構(gòu)的規(guī)定頻域內(nèi)表面波的傳輸，使諧振頻率盡量受電磁波的入射角度影響較小。根據(jù)引信天線罩的可能厚度范圍限制，以基頻及諧振頻率為設(shè)計(jì)通帶中心頻率，通過(guò)對(duì)不同形狀諧振單元的仿真計(jì)算，選擇嵌套方環(huán)單元作為雙頻窄帶單元的實(shí)現(xiàn)方式。

對(duì)于多諧振單元設(shè)計(jì)，多采用多諧振單元和多層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)多頻帶頻率選擇表面。常用的多諧振單元，其諧振頻率與單元的幾何參數(shù)之間具有直接而簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置幾何參數(shù)可將頻率選擇表面濾波器的工作頻帶調(diào)節(jié)到所需頻點(diǎn)。確定多諧振單元后，再根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的上下邊帶特性，決定采用一層或多層結(jié)構(gòu)。對(duì)于嵌套方環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)方環(huán)寬度、嵌套深度、開(kāi)環(huán)枝節(jié)以及基板厚度等參數(shù)的調(diào)整設(shè)計(jì)，得到嵌套方環(huán)單元外形如圖11所示。

單元的寬帶頻率響應(yīng)曲線如圖12所示。

FSS單元在兩個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了窄帶透射性能，有效減小了可能帶外的回波接收。基于該種單元形狀，在結(jié)構(gòu)上以聚酰亞胺覆銅薄膜板作為單元的基板，厚度0.04 mm，以六屏結(jié)構(gòu)作為多層實(shí)現(xiàn)方式。

圖11 單元形狀

圖12 單元頻率影響曲線

2.2.2 頻選引信天線罩加工及測(cè)試

目前，普遍使用的天線罩復(fù)合材料有玻璃纖維、芳綸、石英纖維和聚乙烯纖維等增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料。復(fù)合材料的耐溫性主要取決于選用的樹(shù)脂基體，聚酰亞胺是典型的高溫聚合物基材料，因此選擇外層覆蓋石英增強(qiáng)聚酰亞胺材料作為FSS薄膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)層。石英纖維作為骨架增強(qiáng)材料，每層復(fù)合材料的厚度不大于0.1 mm。

采用光刻法加工FSS多屏結(jié)構(gòu)，以杜邦公司的AP8525R 雙面撓性板作為FSS的加工基材，板材為聚酰亞胺，厚度為0.050 8 mm，正反面的表面覆銅層均為0.018 mm，其中嵌入覆銅結(jié)構(gòu)加工結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 嵌入覆銅結(jié)構(gòu)圖

將加工完成的FSS 板材夾層在聚酰亞胺石英纖維布預(yù)浸料中，300 ℃高溫模壓成型制備天線罩。單層FSS 厚度小于0.1 mm，兩側(cè)各增加兩層聚酰亞胺預(yù)浸料，每層預(yù)浸料厚度為0.1 mm，則天線罩的總厚度不超過(guò)0.5 mm，制備流程如圖14所示。

圖14 制備過(guò)程

制備完成后的雙頻引信天線罩如圖15所示。

圖15 雙頻天線罩外形

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)材料試片的透射性能進(jìn)行測(cè)試，得到涵蓋兩頻點(diǎn)的透射曲線如圖16所示。

圖16 雙頻天線罩測(cè)試通帶

經(jīng)過(guò)對(duì)制備的雙頻天線罩的測(cè)試，基于FSS的雙頻天線罩在基頻及諧波頻率基本實(shí)現(xiàn)了兩頻點(diǎn)透射，但在第二頻率點(diǎn)的頻選特性較第一頻段略差，后續(xù)應(yīng)在合成屏數(shù)及通帶設(shè)計(jì)上進(jìn)一步開(kāi)展工作。

3 結(jié)論

根據(jù)彈載諧波雷達(dá)體制引信的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了一種共口徑諧波接收及基頻發(fā)射引信天線形式，計(jì)算表明，該種形式天線實(shí)現(xiàn)了收發(fā)之間的3倍頻諧振特性以及良好的方向圖性能。為進(jìn)一步改善頻選性能，提高引信的通帶選擇性及抗干擾性能，利用頻率選擇表面技術(shù)，基于耐高溫復(fù)合引信天線罩材料，制備了雙頻無(wú)線電引信天線罩，測(cè)試表明：該天線罩在兩個(gè)頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了窄帶透射性能。