底層開槽寬頻帶微帶引信天線

韓東波，張玉波，劉瑤華

（1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065；2.解放軍駐二九六廠軍代室，重慶400054）

0 引言

微帶天線由于具有體積小、重量輕、低剖面、低成本和易共形等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用，特別適合用作移動(dòng)衛(wèi)星通信的小型移動(dòng)終端天線和飛行器機(jī)載天線。隨著這些系統(tǒng)的發(fā)展，對天線的覆蓋范圍提出了越來越高的要求。

無線電近炸引信對微帶探測器有高電氣性能、高可靠性、高強(qiáng)度的要求，當(dāng)前國內(nèi)中大口徑彈丸以S波段的常規(guī)彈藥引信為主，因此，設(shè)計(jì)一種適合于大中口徑彈丸的微波無線電近炸引信用的微帶探測器就顯得尤為重要，而微帶天線又是微帶探測器中的一個(gè)重要組成部分，通常微帶天線主要是一種諧振式天線，相對帶寬較窄、增益較低，波束較窄，帶寬的限制使得普通微帶天線難以應(yīng)用到寬頻無線電引信上。

為了加寬微帶天線的帶寬，Vivek 通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了開幾種不同的耦合槽對天線耦合量的影響，實(shí)驗(yàn)證明沿饋點(diǎn)方向的底層開槽可以得到較大的耦合量，使得電抗性能在一定的諧振頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，變化微弱，該方法可使微帶天線一般可以獲得10%（VSWR＜2）左右的相對帶寬。該方法在微帶引信天線上還未見使用，為了提高帶寬，將其方法引入微帶引信天線設(shè)計(jì)中，經(jīng)過對加槽處理仿真的大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種超寬頻帶的炮彈彈頭引信小型化微帶天線。

1 原有微帶天線結(jié)構(gòu)

微帶天線的電參數(shù)主要包括輸入阻抗、方向圖、帶寬及與饋線的匹配等。由于微波無線電引信的探測器采用的是自差收發(fā)機(jī)，發(fā)射和接收共用一組天線，為了保證探測到彈體前一定距離的目標(biāo)，除了要求天線具有一定的輻射功率外，還要求天線方向圖前傾。根據(jù)工程的要求，微帶天線的設(shè)計(jì)包括：基本板材和介電常數(shù)的選擇；根據(jù)工作頻率和強(qiáng)度確定天線的尺寸；選擇合適的饋電方式，確定饋電位置。微波無線電引信受體積的限制，必須合理地解決天線的設(shè)計(jì)和安裝的要求。因此微帶天線采用介電常數(shù)εr=4的復(fù)合微波介質(zhì)雙面覆銅箔基片，厚度為1.2mm。根據(jù)天線安裝位置要與彈頭錐型部共型，天線的形狀采用梯形，通過硬同軸線接到饋源上，該天線由輻射器和饋線組成，輻射器是印制在天線板頂層的激勵(lì)振子和底層的輻射振子，饋線是由天線板上的印制饋線和硬同軸線組成，原有微帶天線的模型如圖1所示。

圖1 原有微帶天線Fig.1 The original microstrip autema

原有微帶天線頂層有微帶傳輸線2饋電主線，饋電主線2與激勵(lì)振子3相連，底層有對稱的微帶輻射振子1，輻射振子1成“八”字形，與激勵(lì)振子3形狀重疊，互相耦合，其背面饋電為寬度漸變的矩形貼片4，饋電點(diǎn)在2和4的下端，微波能量從饋源經(jīng)硬同軸線傳輸?shù)教炀€的饋點(diǎn)，再經(jīng)印制饋線2把能量傳送給激勵(lì)振子3，激勵(lì)振子3又把能量耦合到輻射振子1并向空間的目標(biāo)發(fā)射出去，已達(dá)到天線方向圖朝彈前輻射的要求。

該天線在100 MHz帶寬（相對帶寬3%）內(nèi)可以很好地使用，當(dāng)頻帶拓展時(shí)，駐波比迅速增大，天線本身的傳輸系數(shù)減小，反射增大，使得高頻系統(tǒng)和低頻信號(hào)處理系統(tǒng)的靈敏度降低，反射引起的噪聲也增大，已無法應(yīng)用到再高帶寬的引信系統(tǒng)上，所以必須加寬該天線的頻帶，才能應(yīng)用到寬頻無線電引信上。

2 底層開槽天線

通過對原有天線研究、仿真，天線的諧振頻率主要由輻射貼片1和激勵(lì)振子3的長度決定，由于縫隙耦合使得諧振長度與理論值λg／2有較大的出入，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要把耦合縫隙的尺寸和貼片的尺寸結(jié)合起來考慮。1寬度對方向圖、頻帶寬度和輻射效率都有影響，當(dāng)寬度取大時(shí)對頻帶、效率和阻抗匹配都有利，但是當(dāng)寬度大于一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次模，引起場的畸變。能量傳輸線由4和2組成，傳輸線2的寬度由微帶傳輸線模型可計(jì)算得到。

根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用背景的需求，結(jié)合Vivek的實(shí)驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)出了底層開槽寬頻帶天線，底層開槽天線圖如圖2所示，底層貼片的饋電線上開了矩形窄縫，因?yàn)榭p隙很窄且遠(yuǎn)離貼片的輻射邊緣，所以它對貼片自身的諧振頻率點(diǎn)幾乎沒有影響，然而由于窄縫的存在，其自身相當(dāng)于一個(gè)縫隙輻射器，又能得到一個(gè)新的諧振頻點(diǎn)，并且該頻點(diǎn)是由縫隙的尺寸決定，當(dāng)這兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)拉的很近時(shí)，就起到了擴(kuò)展帶寬的效果。在接地板開的矩形槽如圖2所示，其中槽尺寸對天線的帶寬和諧振阻抗都有較大的影響，長度增長，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這表明增長縫隙長度，饋線與貼片之間的能量耦合能力增強(qiáng)。寬度增大，諧振頻率升高，饋線與貼片之間的能量耦合能力減弱。

圖2 底層開槽天線Fig.2 The antenna with bottom slot

為了減少開槽對諧振頻率的影響，這里將槽設(shè)計(jì)成兩節(jié)，如圖2所示，其中w1、h1段，靠近輻射振子，w2、h2段在饋電傳輸線上，通過調(diào)節(jié)兩節(jié)槽的尺寸，可以在不同的帶寬上調(diào)節(jié)。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少背向輻射，縫隙的寬度取較小的值，然后再通過固定縫隙的一個(gè)長度，對另一個(gè)長度進(jìn)行仿真優(yōu)化，而獲得理想結(jié)果。

底面槽尺寸w1、w2 在0.2～3.0 mm 之間，h1、h2在1～8mm 之間，固定一節(jié)尺寸來調(diào)節(jié)另一節(jié)尺寸，進(jìn)行多次修改與仿真，使其駐波比在小于2以下的帶寬可以達(dá)到400 MHz。

3 仿真與測試

引信天線位于彈頭錐形部，為了與彈頭共形采用圓錐形，并且要求天線方向圖朝彈前輻射，輻射參數(shù)主要包括天線方向圖、增益、帶寬等，三個(gè)參數(shù)會(huì)相互制約，因此在天線設(shè)計(jì)過程中，要對天線方向圖、增益、帶寬作一些折衷處理。

天線的建模在Ansoft HFSS進(jìn)行，并通過其仿真優(yōu)化。建模如圖3 所示，圖4 為仿真的3D 方向圖。方向圖形狀與增益與原有微帶天線的方向圖一致。

圖3 仿真模型圖Fig.3 The simulation model

圖4 3D 仿真方向圖Fig.4 3Dsimulation antenna pattern

為了驗(yàn)證微帶天線底層開槽后帶寬變化情況，分別設(shè)置底面槽尺寸參數(shù)w1、w2、h1、h2。w1、w2在0.2～3.0mm 之間，h1、h2在1～8mm 之間變化。分別針對四個(gè)參數(shù)中三個(gè)不變，一個(gè)變化研究其帶寬變化規(guī)律。

1）w2、h1、h2不變，w1變化

在仿真中設(shè)置h1=8mm，h2=6.5mm，w2=1.2mm，w1從1.6～3.2 mm 變化，仿真的駐波比曲線如圖5所示。

w1=1.6 mm，2.0 mm，2.4 mm，2.8 mm，3.2 mm，隨著w1 的增大，帶寬有明顯的增大，以小于2.0 的駐波比分析，帶寬從120 MHz 增加到320 MHz。

2）w1，h1，h2不變，w2變化

在仿真中設(shè)置h1=8mm，h2=6.5mm，w2=2.0mm，w1從0.4～2.4 mm 變化，仿真的駐波比曲線如圖6所示。

w1=0.4mm，0.8mm，1.2mm，2.4mm，隨著w2的減小大，帶寬有略微的增大，以小于2.0的駐波比分析，帶寬從180 MHz增加到220 MHz。

3）w1，w2，h2不變，h1變化

在仿真中設(shè)置h1=6.5mm，w1=2.0mm，w2=1.2mm，h1從5.5～8mm 變化，仿真的駐波比曲線如圖7所示。

h1=5.5mm，6.5mm，7.5mm，8mm，隨著h1的變化，帶寬有略微的變化，但是沒有規(guī)律。

圖5 w1變化駐波比曲線圖Fig.5 The VSWR curre for w1

圖6 w2變化駐波比曲線圖Fig.6 The VSWR curre for w2

圖7 h1變化駐波比曲線圖Fig.7 The VSWR curre for h1

4）w1，w2，h1不變，h2變化

在仿真中設(shè)置h1=8mm，w1=2mm，w2=1.2 mm，w1從1.5～7.3mm 變化，仿真的駐波比曲線如圖8所示。

h2=1.5 mm，2.5 mm，3.5 mm，4.5 mm，5 mm，5.7mm，6.5mm，7.3mm，0.4mm，0.8mm，1.2mm，2.4mm，隨著h2的減小，帶寬有明顯的增大，帶寬增大200 MHz。

從以上的帶寬隨參數(shù)變化情況看，w1的增大和h2的減小對增大帶寬有很好的效果。

針對以上的仿真分析，對w1、w2、h1、h2 進(jìn)行全面的優(yōu)化仿真，w1、w2在0.2～3.0 mm，h1、h2在1～8mm 之間變化，可使駐波比在小于2的情況下，天線帶寬在100～400MHz之間調(diào)節(jié)，駐波比曲線如圖9 所示，在槽尺寸為w1=1.2 mm，h1=8 mm；w2=0.8mm，h2=6.5mm，帶寬為100MHz；在槽尺寸為w1=2.8 mm，h1=8.6 mm；w2=0.4 mm，h2=5.9mm，帶寬為400 MHz，并且在帶寬內(nèi)的駐波比曲線比較平坦，再用仿真軟件對參數(shù)w1=2.8mm，h1=8.6mm；w2=0.4mm，h2=5.9mm的模型進(jìn)行仿真，得到方向圖，方向圖形狀與圖4相同，在前向基本為半圓。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀在微波暗室對優(yōu)化后加工的中心頻率為3.3GHz，帶寬為400MHz的底層開槽微帶天線主要性能進(jìn)行測量，得到該天線在實(shí)驗(yàn)室測試的天線方向圖，分別對3.1、3.2、3.3、3.4、3.5GHz五個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行了測量，如圖10所示。對比仿真和實(shí)驗(yàn)室測試的天線方向圖，可以看出，實(shí)測與仿真天線方向圖基本一致，實(shí)測在400 Mz帶寬內(nèi)，方向圖形狀相同，方向圖呈半球狀，達(dá)到了天線方向圖前傾、諧振頻率、帶寬和增益的要求，并且波瓣寬度達(dá)到130°，經(jīng)過相當(dāng)數(shù)量的射擊試驗(yàn)，證明該底層開槽微帶天線滿足使用要求。

圖8 h2變化駐波比曲線圖Fig.8 The VSWR curre for h2

圖9 w1，w2，h1，h2優(yōu)化后的駐波比曲線圖Fig.9 The VSWR curre for w1，w2，h1，h2after optimization

圖10 微波暗室實(shí)測方向圖Fig.10 Measured pattern in microware anechoic chamber

4 結(jié)論

本文提出了一種寬頻帶微帶引信天線，該天線應(yīng)用Vivek實(shí)驗(yàn)理論，在原窄帶天線基礎(chǔ)上沿饋點(diǎn)方向的底層開槽，以提高耦合量，使得電抗性能在一定的諧振頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定。將天線仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果對比驗(yàn)證，有效地提高了天線的帶寬，帶寬由100 MHz提高到400 MHz，增加了該天線的使用頻率范圍，同時(shí)在3dB波瓣上也有了很好的改善。該底層開槽微帶天線達(dá)到了寬頻無線電引信系統(tǒng)的要求，在寬頻微波無線電近炸引信領(lǐng)域內(nèi)有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］紀(jì)瑞珠，潘曉建.基于S波段的一種微帶小天線的仿真計(jì)算［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2009，31（1）：61-63.

［2］黨懷鎖，劉廷光.微帶天線的反設(shè)計(jì)研究，探測與控制學(xué)報(bào)，1999，21（1）：35-39.

［3］仲從民，余彥民，趙建中，等.毫米波圓極化微帶天線陣［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2007，29（3）：49-51.

［4］張東洋，任宏濱，簡金蕾.定向探測引信技術(shù)分析［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2002（4）：34-37.

［5］金燦民，楊烈勇.可識(shí)別方位引信共型微帶天線［J］.現(xiàn)代引信，1996（2）：62-64.

［6］劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［7］愛金堡.短波天線［M］.北京：人民郵電出版社，1965.