一種寬帶低剖面彈載天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曉沖，曹江濤，邢光龍，謝 萍，李增科

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

近些年來，隨著現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈性能要求的不斷提高，以及導(dǎo)彈應(yīng)用環(huán)境的特殊性，對彈載天線提出了很多特殊的要求。為了減小天線形狀對導(dǎo)彈風(fēng)阻的影響，應(yīng)考慮彈載天線在高速飛行過程中的空氣動力學(xué)特性，同時(shí)還要保證其機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫性，這就要求天線與彈體實(shí)現(xiàn)共形[1-4]。為適應(yīng)由彈體機(jī)動帶來的天線指向變化，要求彈載天線的方向圖要寬波束覆蓋[5-6]。對于彈載天線，低剖面共形有利于對軍事裝備進(jìn)行偽裝，可有效降低整個(gè)平臺雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)，增加平臺機(jī)動性以及提高天線隱蔽性。

彈載低剖面天線在國內(nèi)外均已經(jīng)廣泛應(yīng)用，天線形式及尺寸大小是多種多樣的，分析方法也不盡相同。天線輻射場常用的分析方法有：有限元方法與有限差分方法[7-9]、模式匹配法[10]、混合方法[11-12]、格林函數(shù)和矩量法[13]等。彈載天線常用的形式包括微帶天線、縫隙天線、螺旋天線、波導(dǎo)天線和振子天線等。設(shè)計(jì)時(shí)通常要考慮天線在彈體的安裝位置、尺寸和質(zhì)量及與彈體共形等情況，從而選擇最優(yōu)的天線形式。

文獻(xiàn)[14]研究并設(shè)計(jì)了一種微帶磁偶極子八木天線，將3個(gè)磁偶極子八木天線共形到彈體上，實(shí)現(xiàn)了較低的剖面，但其受到彈體影響，最大輻射方向在偏離軸向45°的方向，傾斜的輻射方向?qū)е缕湓趯?shí)際應(yīng)用中具有較大的局限性。2015年，Ghaemi等人對二元疊層單極天線進(jìn)行了深入研究，通過在大尺寸輻射單元內(nèi)嵌套一部分小尺寸輻射單元，降低了天線剖面高度,實(shí)現(xiàn)了8.5倍頻阻抗帶寬且剖面高度為20.9 mm(0.046λ)，是一款剖面極低的天線[15]，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[16]通過在低剖面E形微帶天線中引入15分布式LC諧振電路，拓寬了天線的帶寬，使其很好地工作在AMPS頻段824～894 MHz，該天線剖面高度僅為0.344λ，但其帶寬僅9%，相對于寬帶天線，帶寬較窄。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種裝在彈頭的印刷振子天線，通過振子向下傾斜來展寬波束，但其剖面較高，底盤尺寸較大，不便于安裝。文獻(xiàn)[18]通過在單極子頂部引入耦合加載板的方式設(shè)計(jì)了一種寬帶低剖面，可用于小金屬地的全向天線，但它整體體積較大，彈體安裝位置受限。文獻(xiàn)[19]采用微帶天線陣，把平面的微帶貼片共形貼到彈體表面，實(shí)現(xiàn)了任意姿態(tài)下的測控，但天線通過陣列排布比較困難，位置選擇較為苛刻，不穩(wěn)定因素較多，可能會造成微帶線的斷裂，另外帶寬比較窄。

在高動態(tài)、復(fù)雜電磁環(huán)境下，彈載低剖面共形天線是實(shí)現(xiàn)高速飛行目標(biāo)和地面控制臺信息交互的重要組成單元，其性能直接影響通信鏈路和無線控制的成敗。因此，低剖面寬帶天線的研究既有重要的理論意義，又有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要以工程應(yīng)用為背景，采用了一種特殊饋電形式的印刷偶極子天線，并與天線罩共形的金屬結(jié)構(gòu)壁進(jìn)行耦合，形成了電感效應(yīng)，既展寬了帶寬，又有效地降低了天線的剖面高度,解決了彈載天線剖面高度受限的技術(shù)問題。

1 天線整體設(shè)計(jì)和電氣指標(biāo)

由于微帶天線帶寬較窄，振子天線剖面高度較高，波導(dǎo)天線尺寸太大，考慮到安裝位置、安裝尺寸及剖面高度等方面要求，選擇了印制偶極子天線，并且通過添加金屬耦合壁的方式來實(shí)現(xiàn)天線整體的最優(yōu)性能。

天線整體由共形天線罩和天線體組成。天線整體的仿真模型如圖1所示。天線整體的剖面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。天線體尺寸為55 mm×66 mm×17 mm(約0.22λmax×0.264λmax×0.068λmax)，天線罩采用2.5 mm厚的聚醚醚酮(PEEK)或者增強(qiáng)型的聚苯硫醚(PPS)材料，具有極為優(yōu)良的強(qiáng)度、剛性、耐高溫和尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)還具有線膨脹系數(shù)小、吸水率低、成型收縮率小、耐腐蝕性好和阻燃性好等特點(diǎn)，可用于注射成型各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。

圖1 天線整體仿真模型Fig.1 Overall simulation model of antenna

圖2 天線整體剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall section structure of antenna

不含天線罩天線體仿真圖如圖3所示，天線體尺寸長L=66 mm，寬W=55 mm，高H1=17 mm。印制板采用FR-4玻璃鋼材料，介電常數(shù)εr=4.4，厚度為1 mm，印制板上的一對輻射振子總長度L1=60.7 mm，寬度W1=53 mm。印制板上表面距離底面的高度H=12.5 mm，饋電點(diǎn)距離中心位置Ly=13 mm。

圖3 不含天線罩天線體仿真Fig.3 Antenna body simulation without radome

印制板上層及下層有輻射片,2個(gè)輻射片形成一對偶極子，上層輻射片一端有延長的傳輸線，傳輸線上通過添加枝節(jié)來調(diào)節(jié)阻抗匹配，通過介質(zhì)支撐塊來支撐印制板，從圖2和圖3可知，印刷偶極子天線與金屬耦合壁之間有一段間隙，間隙距離為3.6 mm，可適當(dāng)調(diào)節(jié)間隙尺寸來調(diào)節(jié)匹配。金屬耦合壁頂部呈弧形，與天線罩內(nèi)側(cè)緊緊相接，且與其共形。天線的極化方式為線極化。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，加工了樣機(jī)，天線體(不含天線罩)俯視圖如圖4所示，側(cè)視圖如圖5所示。

圖4 天線體俯視Fig.4 Top view of antenna body

圖5 天線體側(cè)視Fig.5 Side view of antenna body

2 結(jié)果分析

在天線測試原理中，通過電壓駐波比(VSWR)來描述天線的阻抗特性。在天線樣機(jī)加工完成后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工好的實(shí)物進(jìn)行測試，實(shí)測和仿真VSWR曲線對比如圖6所示。

由圖6可以看出，實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果較為吻合，頻帶略微向低頻偏移了一些，這是由于實(shí)際中天線罩的影響所致。從實(shí)測結(jié)果可以看出，天線VSWR在2.0以下的頻帶在1.2～2.05 GHz，相對帶寬達(dá)到52.3%,天線在工作帶寬內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性。

圖6 實(shí)測和仿真VSWR曲線Fig.6 Simulated and measured VSWR of proposed antenna

由圖5可以看出，印制板上表面距離天線底部的距離H僅為12.5 mm，為低頻(1.2 GHz)的0.05個(gè)波長，即0.05λmax，考慮到耦合墻壁的高度H1=17 mm，天線體的剖面高度為0.068λmax。

VSWR隨H1變化曲線如圖7所示。

圖7 VSWR隨H1變化曲線Fig.7 VSWR varying with H1

由圖7可以看出，隨著耦合墻壁高度H1變大，VSWR曲線逐漸向低頻偏移，低頻端駐波逐漸得到改善，高頻端駐波會變差，隨耦合墻壁高度H1變大，天線體(不含天線罩)的剖面高度會變高，因此在實(shí)際中可選擇合適的H1值，使得在滿足工作帶寬的同時(shí)，盡可能低地降低剖面高度。

對于天線方向圖測試常采用的是場地遠(yuǎn)場法，收發(fā)天線之間的測試距離滿足遠(yuǎn)場測試距離條件，即：

式中，R為收發(fā)天線之間的距離；λ為工作波長；D為待測天線口徑(線天線為天線最大線尺寸)。

在滿足遠(yuǎn)場測試條件的前提下，天線增益測試通常采用波束寬度法、比較法和方向圖積分法，本文采用了方向圖積分法來得到遠(yuǎn)場方向圖及增益。

在工作頻帶內(nèi)，選取了1.2，1.5，1.8，2.05 GHz四個(gè)頻點(diǎn)，通過仿真計(jì)算和實(shí)際測試得到了頻帶內(nèi)這4個(gè)頻點(diǎn)的方向圖增益曲線圖，如圖8～圖11所示。

圖8 1.2 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實(shí)測方向圖Fig.8 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.2 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖9 1.5 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實(shí)測方向圖Fig.9 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.5 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖10 1.8 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實(shí)測方向圖Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.8 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖11 2.05 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實(shí)測方向圖Fig.11 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 2.05 GHz(φ=0°and φ=90°)

由圖8～圖11可以看出，天線輻射方向圖比較平滑，實(shí)測方向圖基本與仿真結(jié)果吻合，主波束變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，±60°內(nèi)的方向圖變化趨勢大體保持一致，方向圖在±60°內(nèi)的增益均大于0 dB，從而實(shí)現(xiàn)了寬波束覆蓋。方向圖副瓣的測試結(jié)果與仿真結(jié)果略有差別，原因是在實(shí)際測試中彈體影響因素比理想仿真條件下更為復(fù)雜，尤其是地面及天線周邊的環(huán)境對副瓣的影響是很大的，不可避免地會引入一些誤差。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并制作了一種寬帶低剖面彈載共形天線。測試結(jié)果表明，其性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，并與仿真分析結(jié)果相互印證。該天線的相對帶寬達(dá)到52.3%，工作頻帶范圍為1.20～2.05 GHz，天線體高度僅為17 mm(0.068λmax)，在整個(gè)帶寬內(nèi)，方向圖保持穩(wěn)定，且在水平面和方位面±60°內(nèi)增益均大于0 dB。天線性能指標(biāo)保證了彈體在運(yùn)動過程中能夠穩(wěn)定接收信號。該天線結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低、性能良好，同時(shí)還具有高機(jī)械可靠性、耐高溫、拆卸安裝方便和易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，適用于彈載、機(jī)載、艦載及車載等多種平臺，天線結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，具有良好的工程應(yīng)用前景。