彈載共形遙測天線的設計*

周旭冉,高寶建,伍捍東,任宇輝

(1.西北大學 信息科學與技術學院，陜西 西安 710127 2.西安恒達微波技術開發公司，陜西 西安 710061)

無線電遙測是導彈系統測試的重要手段，在導彈的研制和發射試驗中發揮著越來越重要的作用。而天線作為遙測系統的重要組成部分，其性能好壞直接影響著整個遙測系統的工作性能。所以人們對遙測天線的要求也越來越高，以盡可能地為評估導彈性能和分析故障提供精確的依據[1]。導彈在飛行過程中姿態變化大，運動速度快，天線單元必須采用易于共形的輻射單元。過去常采用的振子天線已無法滿足外形要求。而微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等特點，無論在結構上還是在性能上都有很多優勢，非常適合在導彈等高速飛行器上應用。

本文結合實際需求，研究設計了一種彈載共形微帶天線。該天線與彈體表面共形，不影響彈體的空氣動力學特性，并對其進行了性能仿真和試驗研究。

1 天線設計

本文研究的共形微帶天線，其工作波長及尺寸遠小于所要共形的導彈載體半徑，所以載體表面的曲率對天線單元性能的影響非常小。因此天線單元的設計可以采用一般平面微帶天線設計理論和公式。但當貼片單元組成一個天線陣列并與曲面共形時，其反射系數和方向圖還是會發生一定的變化，輻射特性也變得復雜。為了在陣列設計時計入曲面的影響，使用基于有限積分的“CST Microwave studio”電磁仿真軟件對天線進行仿真和參數優化設計。

天線主要技術指標要求如下：

（1）天線工作頻率：f0±20 MHz；

（2）天線駐波比：VSWR≤1.5；

（3）天線增益：Gain≥8 dBi；

（4）極化方式：線極化。

1.1 微帶天線單元設計

本文采用的微帶天線由接地層、介質層、貼片層和防護罩層組成。微帶輻射單元結構如圖1所示，微帶天線通過饋電方向的兩個邊緣進行輻射，單元阻抗由中到邊緣逐漸變大。采用開槽的形式[2]，把饋線深入貼片天線內部，通過調整饋線插入深度，使饋線與貼片單元達到良好的阻抗匹配。

1.1.1 介質基板的確定

在進行微帶貼片天線單元設計時，需首先做好介質基片材料 (介電常數 εr和介質損耗正切角tanδ)的選擇及厚度h的確定，它們直接影響微帶天線的尺寸、重量、方向性、頻帶等性能[3]。

值得指出的一點是，在安裝空間受限以及低剖面要求的彈載應用場合，增加介質基片厚度h可以展寬天線帶寬，但基片厚度過大則會引起表面波的明顯激勵，表面波達到基片邊沿時產生反射散射，導致天線增益下降，交叉極化增大，輻射效率降低。因此要綜合考慮確定。

根據天線的技術指標要求，設計過程中貼片層和接地層都采用厚度t=0.018 mm的銅箔，介質層采用介電常數εr=6、厚度h=1.0 mm、損耗正切 tanδ≤0.001的微波復合介質。

1.1.2 微帶單元尺寸的確定

陣元寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向函數、輻射電阻以及輸入阻抗，從而影響著微帶天線的頻帶寬度和輻射效率[4]。陣元寬度可由式(1)計算得到：

式中c為光速,f0為諧振頻率。

微帶貼片天線的長度由式(2)確定

△L為等效伸長長度，εe為考慮了介質罩的有效介電常數。

根據上述公式，采用所選擇的介質基板便可以計算貼片單元的大小。使用基于CST仿真軟件，進行仿真、優化得到天線的結構參數選取如下:貼片寬度17.8 mm,貼片長度13.5 mm，饋線插入深度4.1 mm，饋線寬度1.5 mm。

1.2 微帶 2×2陣列設計

微帶貼片單元的增益一般只有4 dBi左右。為了獲得更大的增益，或者說是為了實現特定的方向性，通常采用由微帶貼片輻射單元組成的微帶陣列天線[5]。因此，本文在所要求的60 mm×60 mm尺寸范圍內，同時又考慮到天線的效率問題，采用了4個輻射單元組成一個2×2的微帶陣。設計的微帶陣列和功分網絡如圖2所示。

微帶天線陣的饋電網絡主要是保證各陣元所要求的激勵振幅和相位,以便形成所要求的方向圖,或者使天線性能某項指標最佳。對饋電網絡的要求是阻抗匹配、損耗小、結構簡單等。

根據以上所述,天線陣采用并聯等幅同相等功率饋電[6]，饋電網絡由T型等分功分器組成，功分器采用多節阻抗匹配枝節設計，使調試簡單方便。整個天線陣采用同軸SMA接頭,為了達到與接頭 50 Ω阻抗匹配，還需要利用四分之一阻抗匹配段來調配天線陣輸入阻抗。

1.3 天線罩的設計

為了更好地使天線整體與飛行器外形一體化，將天線罩也做成與彈體具有相同的曲率，使天線與彈體融為一體。考慮到飛行器時速低于2馬赫，天線罩最高溫升為135℃，同時考慮風速壓力、冰雹、雨雪沖擊載荷等因素，因此采用平滑剛性結構，選擇聚四氟乙烯玻璃布板作為天線罩的材料，耐溫可達200℃，天線罩厚度可用下式計算：

其中θ0為電磁波照射天線罩的入射角。

2 天線陣仿真及測試結果分析

基于以上設計，用電磁仿真軟件CST對天線陣進行仿真、優化，并根據優化結果制作了天線陣實物樣件。天線實物樣件模型如圖3所示。

天線的電壓駐波比采用標量網絡分析儀HP8757C測量，測量結果如圖4所示。其中圖4(a)是仿真得到的駐波曲線，圖4(b)是測量得到的駐波曲線。

從圖4可以看出，天線在±20 MHz的頻帶內電壓駐波比都小于1.5,滿足天線設計要求。實測結果與仿真結果基本吻合,但是實測結果中諧振點稍微往高頻偏移，兩者存在的偏差主要是由天線的加工誤差、測量誤差、接頭焊接誤差和仿真計算誤差所引起的。

最后在微波暗室通過天線測試系統對天線的輻射方向圖和增益進行了測試，測試結果如圖5所示。

圖5(a)給出了天線陣在中心頻率處仿真與實測的H面遠場方向圖，圖5(b)給出了仿真與實測的E面方向圖。

圖5中實線代表仿真值，虛線代表實測值。可以清楚地看到，實測方向圖與仿真方向圖吻合良好。H面方向圖對稱性較好，而E面的方向圖稍顯不對稱，這是由于整個天線的饋電點同軸SMA接頭不在正中心位置，對于E面是不對稱的。

采用標準增益天線比較法測試得到天線在中心頻率的增益為8.4 dBi,而仿真得到的增益為8.9 dBi，該天線增益的實測值與仿真值也是大致接近的，稍有偏差是由于在仿真建立模型時，微波介質損耗因子的設置比實際的要小，而介質損耗大必然使輻射效率降低，從而使增益降低。

綜合運用單層微帶貼片結構和T型功分器饋電技術，并結合高頻電磁仿真軟件CST設計了一個四元彈載共形微帶天線陣。設計的天線陣體積小、結構簡單、調試方便。實測天線陣在±20 MHz的頻帶內駐波比均小于1.5，最大增益8.4 dBi，測試結果與仿真結果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可以滿足遙測天線的使用需求。

[1]李志勇.微帶共形天線陣在遙測系統中的設計應用[J].航空兵器,2009(4):28-29.

[2]趙菲.基于子陣合成技術的微帶天線陣設計[C].全國天線年會,2009:158-159

[3]康德地.箭載共形相控陣天線設計仿真與測試[J].飛行器測控學報,2010,29(2):1-2.

[4]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1991.

[5]廖學介.一種用于海事衛星通信的微帶陣列天線的設計[C].全國天線年會,2009:278-279.

[6]姜興.64元Ku波段寬頻帶高增益微帶天線陣設計[J].微波學報,2008,24(增刊):118-119.