近炸引信中的開槽共形定向微帶天線

狄 萃，趙惠昌，楊云星

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

近炸引信是探測目標附近含有目標信息的物理場而作用的引信。近炸引信不需彈丸直接碰撞目標而作用，因此在近炸引信系統(tǒng)中天線區(qū)別與其他引信天線，其方向圖為斜向輻射［1］。微帶天線具有形面低、重量輕、共形性好、成本低、可以比較自由和充分地利用彈體表面或空間、安裝時并不影響彈體的結構強度，便于實現(xiàn)裝置的小型化等一些突出的優(yōu)點［2］，因此微帶天線比較適用于作多種彈型上的無線電引信天線。

目前我國在無線電近炸引信中，采用微帶天線來探測和識別目標，提高戰(zhàn)術導彈的性能。采用終端接匹配負載的巨型微帶行波陣形式，可實現(xiàn)天線主峰傾角值偏離天線陣軸30°，在400 MHz帶寬內最大增益值大于10dB 寬頻帶、高增益彈上引信天線［3］；通過加載電阻實現(xiàn)天線的小型化和寬頻帶性能，實現(xiàn)與彈體的共形，其天線相對帶寬可達13.5%［4］；應用微帶線高階模式的輻射特性設計微帶漏波天線，設計開發(fā)頻率更高（毫米波）、更易于加工和便于與有源器件集成的彈載引信天線［5］等等。但是通常的傳統(tǒng)微帶貼片天線主要是一種諧振式天線，相對帶寬較窄，常規(guī)設計的微帶天線帶寬一般不到3%［6］，且天線為半空間輻射結構。本文針對近炸引信中貼片微帶天線帶寬窄及定向輻射性能差的問題，提出了與彈體共形的具有側向輻射、寬頻帶的微帶天線。

1 共形定向微帶天線原理

天線及天線罩結構如圖1所示。該天線是單層結構，正反兩面采用金屬貼片作為輻射單元［7］。激勵貼片位于相對介電常數(shù)εr=2.52，損耗角正切tan δ=0.001 5，厚度h=1mm 的介質基片上，由微帶線進行饋電。

圖1 天線及天線罩結構示意圖Fig.1 Schematicdiagram of antenna and radome

天線罩是保護天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境影響的結構物。它在電氣上具有良好的電磁輻射透過性能，在結構上能經受外部惡劣環(huán)境的作用。這種結構在低于諧振頻率及某些高于諧振頻率的頻段是非透明的，而在諧振頻率上是透明［8］的，也就是說在諧振點處，對其輻射影響較小。在實際應用中，不同天線罩的材料對天線性能會有影響，應根據(jù)天線諧振頻率及外部環(huán)境，選擇合適材料的天線罩，使其透波性能較好。

天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配可由饋電點位置的選擇來實現(xiàn)，饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產生一個小的漂移，但在保持主模工作的條件下，輻射方向圖仍然保持不變，通過稍微改變貼片尺寸，可補償諧振頻率的漂移［9］。

文中關于天線小型化采用的是表面開槽技術［10］，即通過在微帶貼片的表面開不同形式的槽或細縫，改變貼片表面的電流密度分布，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，從而使貼片的等效長度大于其物理長度，降低諧振頻率達到小型化。為了達到寬頻帶的效果［11］，可采取增大基片厚度，或降低基片相對介電常數(shù)等方法，也可以采用多層結構的天線，但文中采用的方法是將貼片做成不同于矩形或者圓形的形狀，并且嘗試在開槽的技術上，加入寄生貼片。根據(jù)曲流原理：通過彎曲天線貼片表面積你電流的路徑，可以使常規(guī)形狀的貼片天線表面電流路徑彎曲，這樣就增加了天線貼片的有效長度，縮小了天線尺寸［12］，且增大了天線帶寬。

2 開槽和寄生貼片對天線特性的影響

當天線的參數(shù)固定下后，將內部正方形槽邊長作為變量a，改變a的取值，觀察其對天線特性的影響。天線參數(shù)尺寸如表1所示。

表1 天線各參數(shù)尺寸Tab.1 The size of the antenna parameters mm

圖2 a對天線特性的影響Fig.2 The influence of aon the characteristics of antenna

3 仿真及測試結果分析

3.1 天線的仿真及結果

結合上面的分析，其他參數(shù)保持不變，a 取值為9mm，在CST 中建立好仿真模型后，仿真得到的結果如下：圖4為天線S11參數(shù)，圖5為a=9mm 時，天線在7.7 GHz處的E 面、H 面方向圖，其中圖5（a）為E面方向圖，圖5（b）為H 面方向圖。

圖3 寄生貼片對天線性能的影響Fig.3 The influence of parasitic patch onthe characteristics of antenna

圖4 S11參數(shù)曲線Fig.4 S11parametric curve

圖5 天線在7.7GHz處方向圖Fig.5 Radiation pattern in 7.7GHz

3.2 天線的實際測試及結果

根據(jù)天線的設計和仿真優(yōu)化出的尺寸，自己加工了天線的實物樣件，并對樣件進行了電參數(shù)測量。圖6為天線實物樣件。

天線的S11參數(shù)采用矢量網絡分析儀測量，而輻射方向圖和增益在微波暗室通過天線測試系統(tǒng)測得。下面對仿真結果和實際測量的數(shù)據(jù)進行了對比分析。圖7給出了共形引信微帶天線S11參數(shù)的仿真結果和測試結果。從圖中可以看出實測結果與仿真結果基本吻合，但是實測結果在7.7GHz頻率處稍微往高頻偏移，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。

圖8是該天線在中心頻率7.7GHz附近的實測仿真方向圖，圖中列出了在7.4GHz、7.6GHz、7.8GHz處的方向圖對比。由圖可以看出，圍繞中心頻率的一定寬帶范圍內，方向圖是比較穩(wěn)定的，都具有側向輻射性能，增益將近5dB。實測方向圖與仿真方向圖吻合良好。

4 結論

本文提出了一種應用于無線電引信中的高頻、寬帶、側向輻射的共形定向微帶天線。該天線貼片形狀不同于傳統(tǒng)的規(guī)則圖形，通過開槽并加入寄生貼片的思想，將設計的天線性能得到優(yōu)化。根據(jù)仿真結果加工制作了實際的天線樣件，并對天線的S11參數(shù)和輻射增益方向圖進行了測量。測試結果表明，天線在中心頻率7.7GHz的附近1GHz寬帶范圍內，S11參數(shù)低于-10dB，匹配良好，且實測方向圖與仿真方向圖較為吻合，具有側向輻射性能，滿足天線的使用要求，及實際應用的近炸引信要求。

圖6 共形引信天線實物圖Fig.6 The physical map of fuze conformal antenna

圖7 共形引信微帶天線S11參數(shù)的仿真和測試結果Fig.7 The simulation and test results of fuze conformal microstripantenna for the S11parameter

圖8 實測方向圖Fig.8 Radiation pattern of practical test

［1］崔占忠，宋世和.近炸引信原理［M］.北京：北京理工大學出版社，2009［2］薛睿峰，鐘時順.微帶天線小型化技術［J］.電子技術，2002（3）：62-64.

［3］王月娟，張立東.寬頻帶引信天線的設計［J］.制導與引信，2004（6）：37-41.

［4］趙建忠，李龍，張英浩，等.引信用加載環(huán)形微帶天線的研究［J］.探測與控制學報，2005（6）：52-54

［5］姚廣鋒，王積勤.一種彈載毫米波引信天線的分析與設計［J］.制導與引信，2004（12）：39-42.

［6］Ramesh Grag，Prakash Bhartia，Inder Bahl，Apisak Ittiboon［M］.Microstrip Antenna Design Handbook.Boston London：Artech House，2001.

［7］Hu S，Chen H，Law C L，Shen Z，et al.Backscattering cross section of ultrawideband antennas［J］.IEEE Antennas Wireless Propag.2007（6）：70-73.

［8］Munk Ben A.頻率選擇表面理論與設計［M］.侯新宇譯.北京：科學出版社，2009.

［9］鮑爾，I J.布哈蒂亞P.微帶天線［M］.梁聯(lián)倬譯.北京：電子工業(yè)出版社.1985

［10］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

［11］Sanehez Dvaid，Henrnadez，Robertson Ian D.A survey of broadband microstrip patch antenna［J］.Microwave 1996，39（9）：61-54

［12］羅建，羅正祥，羊愷，等.雙頻曲流微帶天線的設計［C］／／全國天線年會論文集.四川：中國電子學會，2009：10-13.