具有寬帶端射特性的彈載微帶陣列天線

馬文超,聶 榮,潘麗娜,李科連

(江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

近年來,隨著無線電技術(shù)在軍事裝備中迅速發(fā)展,天線作為通信、雷達(dá)、導(dǎo)航及定位等信息系統(tǒng)的終端越來越多的應(yīng)用到導(dǎo)彈、火箭等飛行器中。隨著末端制導(dǎo)、彈道主動(dòng)修正、導(dǎo)引頭及反輻射導(dǎo)彈等高科技信息化彈藥的發(fā)展,對(duì)彈載天線提出了越來越高的要求[1-3]。首先,為降低天線系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)氣動(dòng)性能的影響,一般要求天線與平臺(tái)要共形設(shè)計(jì);其次,天線的最大輻射方向需朝彈頭或者彈尾方向,即要求天線具有良好的端向輻射特性;最后,為了提升系統(tǒng)信息傳輸速率及抗干擾能力,天線需滿足寬帶工作特性。因此,具有端射特性的彈載共形寬帶天線的研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

傳統(tǒng)的寬頻帶端向輻射天線有以下三類典型結(jié)構(gòu)：1) Yagi-Uda天線,通過增加激勵(lì)振子數(shù)目和寬帶饋電電路進(jìn)行饋電可實(shí)現(xiàn)寬帶工作和端向輻射[4];2) 漸變槽線結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線、LTSA天線[5]等;3) 具有非頻變結(jié)構(gòu)特性的對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線[6]等。這些天線均具有良好的端向輻射特性且工作帶寬較寬,但其結(jié)構(gòu)尺寸較大,難以與彈體平臺(tái)共形設(shè)計(jì),同時(shí)彈體為金屬載體對(duì)天線輻射及阻抗特性影響巨大。微帶天線具有低剖面結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),易于彈體實(shí)現(xiàn)共形設(shè)計(jì),但通常微帶天線的工作帶寬較窄。其他文獻(xiàn)中介紹了帶寬較寬的微帶天線形式[7-9],但這些天線的剖面變大,不適用于共形設(shè)計(jì)且不具有端射輻射特性。本文針對(duì)此問題,在基于圓形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上,引入環(huán)形扇區(qū)結(jié)構(gòu)的引向器,有效利用圓形貼片與引向器之間多模諧振模式展寬工作帶寬的同時(shí),實(shí)現(xiàn)微帶陣列天線端射輻射模式。

1 基本概念

1.1 天線方向性和增益

天線的方向性即在給定方向上,天線輻射的功率密度U與全向天線輻射的平均功率密度的比值。平均功率密度為天線輻射的所有功率Prad與4π的比值。天線方向性系數(shù)與兩個(gè)正交面的波束寬度相關(guān),相對(duì)關(guān)系如下：

(1)

式(1)中,D為天線方向性系數(shù),θ1和θ2分別為兩個(gè)面的波束寬度。

天線增益G為天線方向性系數(shù)D乘以天線效率：

G=η·D。

(2)

1.2 天線帶寬

通常天線帶寬有兩種表示方法,一種稱為“相對(duì)帶寬”,其定義為：天線的絕對(duì)帶寬2Δf與工作頻帶內(nèi)中心頻率fc之比,即：

(3)

式(3)中,fh和fl分別表示工作頻帶的上限頻率和下限頻率,fc為工作頻帶的中心頻率。天線帶寬又具體分為極化帶寬、阻抗帶寬、增益帶寬及方向圖帶寬等,通常情況,認(rèn)為天線帶寬大于10%即為寬帶天線。

1.3 端射特性

端射的概念最初來源于一維長(zhǎng)直陣列天線,是相對(duì)于“邊射”(或稱為“側(cè)射”)而定義的。顧名思義,指的是天線波束最大輻射方向指向陣列排布軸線的這種輻射特性。與一般邊射特性不同,陣列端射輻射特性的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過特殊干預(yù),在陣列上形成一個(gè)沿排列軸線相位依次滯后的陣元能流分布,且滯后的相位值滿足一定條件。

2 寬帶端射共形微帶陣列天線

2.1 工作原理

天線的設(shè)計(jì)原理類似于帶有寄生貼片的傳統(tǒng)微帶天線,天線諧振頻率是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。為了展寬天線工作頻段,需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生多個(gè)相鄰的諧振頻率。

使用諧振腔模型分析計(jì)算圓形扇區(qū)貼片和環(huán)形扇區(qū)貼片的諧振頻率。由于電場(chǎng)的邊緣效應(yīng),假定圓形扇區(qū)和環(huán)形扇區(qū)的有效輻射半徑為Re,介質(zhì)板材的有效介電常數(shù)為εe,扇區(qū)實(shí)際半徑R及介質(zhì)板材現(xiàn)對(duì)介電常數(shù)εr的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(4)

(5)

圓形扇區(qū)激勵(lì)單元的諧振模式非常關(guān)鍵,不僅決定自身的電流分布還影響作為引向器的耦合環(huán)形扇區(qū)的諧振頻率。TM11模式下圓形貼片的徑向和周向都有較強(qiáng)的輻射電流,更便于耦合單元產(chǎn)生不同模式的諧振頻率,因此將激勵(lì)單元設(shè)計(jì)為TM11模式,其諧振頻率計(jì)算為

(6)

TM10徑向模式的諧振頻率和TM12周向模式的諧振頻率可通過下式計(jì)算而得

(7)

(8)

式中,c為光速,εe為等效介電常數(shù),R1e、R2e及R3e分別為激勵(lì)單元、引向器1和引向器2的等效半徑。因此可見,可通過調(diào)節(jié)控制這些參數(shù)來調(diào)整天線產(chǎn)生的諧振頻率,當(dāng)激勵(lì)單元于雙極引向器產(chǎn)生合適的耦合時(shí),可以獲得較寬的工作帶寬。

2.2 天線設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理分析,不同于常規(guī)的矩形微帶貼片形式,將微帶天線的激勵(lì)單元設(shè)計(jì)為圓形扇區(qū)結(jié)構(gòu),將外加的雙極引向器設(shè)計(jì)為環(huán)形扇區(qū)結(jié)構(gòu)。天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)尺寸如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna structure dimensions

天線印刷在介電常數(shù)為2.55、厚度h為1.5 mm的介質(zhì)基板上,介質(zhì)板材外形為矩形結(jié)構(gòu),底部大面積金屬覆銅構(gòu)成反射地板?？梢圆捎脝蝹€(gè)或者多個(gè)環(huán)形扇區(qū)構(gòu)成引向器,本設(shè)計(jì)兼顧天線外形尺寸和方向圖特性,使用兩個(gè)引向器。將饋電激勵(lì)單元D設(shè)計(jì)為圓形扇區(qū)貼片,半徑為R1,類似八木天線的有源陣子,外形為環(huán)形扇區(qū)的引向器D1置于激勵(lì)單元D一側(cè),半徑寬度為R2,與激勵(lì)單元D之間的間隙寬度為W1;環(huán)形扇區(qū)的引向器D2置于引向器D1旁邊,半徑寬度為R3,與引向器D1之間的間隙寬度為W2。激勵(lì)單元D與引向器D1、D2為同心圓結(jié)構(gòu),具有相同的張開角度φ。可采用穿過介質(zhì)基板的同軸結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)單元D進(jìn)行饋電。

天線具體尺寸為：L=93 mm,W1=0.54 mm,W2=0.9 mm,R1=25 mm,R2=23 mm,R3=20 mm,L1=22.8 mm,h=1.5 mm、φ=61.5°。

2.3 尺寸參數(shù)分析

通過電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行天線電性能特性仿真,研究共形寬帶微帶天線的諧振特性。仿真中對(duì)天線尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整天線尺寸參數(shù)得到天線諧振頻率的變化規(guī)律。

如圖2所示：隨著圓形扇區(qū)半徑R1的增加,諧振頻率隨之往低頻偏移;扇區(qū)的張角φ對(duì)第三個(gè)諧振頻率的影響明顯,隨著φ角度的減小而增加。間隙寬度W1也是調(diào)節(jié)阻抗匹配的關(guān)鍵參數(shù),激勵(lì)單元D和引向器D1之間的間隙必須非常窄才能產(chǎn)生強(qiáng)耦合,如圖3所示,選擇適當(dāng)?shù)腤1參數(shù)能夠獲得天線較寬的工作頻帶。

圖2 天線反射系數(shù)(S11)隨R1變化曲線Fig.2 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with R1

圖3 天線反射系數(shù)(S11)隨W1變化曲線Fig.3 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with W1

3 仿真驗(yàn)證

在基于全波電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,得到最終的天線設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)設(shè)計(jì)制作出天線實(shí)物,如圖4所示。

圖4 天線加工實(shí)物圖Fig.4 Picture of the antenna processing

天線駐波比測(cè)試和仿真對(duì)比結(jié)果如圖5所示,由于微帶介質(zhì)板材介電常數(shù)有偏差的影響,天線駐波比結(jié)果有略微差異,但大體上基本保持一致,天線駐波比小于2的帶寬大于13.1%(由2.15～2.45 GHz)。天線增益的實(shí)測(cè)和仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示,天線實(shí)測(cè)增益大于9.2 dBi,基本達(dá)到仿真預(yù)期。通過對(duì)比天線實(shí)測(cè)增益和仿真方向性系數(shù),得到天線輻射效率在工作頻率2.3 GHz處大于85.5%,主要的損耗來自微帶板材的介質(zhì)損耗。圖7—圖9為天線在2.15、2.3、2.45 GHz處兩個(gè)面的方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果,由圖可見天線實(shí)測(cè)方向圖特性與仿真結(jié)果非常吻合,方向圖對(duì)稱性良好,有較好的單向輻射特性。

圖5 天線反射系數(shù)仿真及測(cè)試對(duì)比結(jié)果Fig.5 Simulation and test results of antenna reflection coefficient

圖6 天線增益仿真及測(cè)試對(duì)比結(jié)果Fig.6 Simulation and test comparison results of antenna gain

圖7 天線2.15 GHz俯仰面方位面實(shí)測(cè)方向圖Fig.7 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.15 GHz

圖8 天線2.3 GHz俯仰面方位面實(shí)測(cè)方向圖Fig.8 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.3 GHz

圖9 天線2.45 GHz主極化與交叉極化實(shí)測(cè)方向圖Fig.9 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.45 GHz

4 結(jié)論

本文提出一種具有端射特性的新型彈載寬帶共形微帶陣列天線。該天線在圓形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上,加入環(huán)形扇區(qū)結(jié)構(gòu)的雙級(jí)引向器,利用引向器與激勵(lì)單元之間的耦合諧振,實(shí)現(xiàn)微帶天線寬帶工作的同時(shí)方向圖具有端向輻射的特性。該天線具備有微帶天線低剖面、結(jié)構(gòu)緊湊的特性,易與彈載等搭載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)共形設(shè)計(jì)。天線實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該陣列天線能夠在2.15～2.45 GHz實(shí)現(xiàn)VSWR<2(相對(duì)帶寬為13.1%),天線增益大于9.2 dBi,輻射效率超過85.5%。該天線滿足彈載平臺(tái)天線寬帶化、共形化、端向輻射特性等功能要求。