一種彈載超寬帶共形天線

王書楠，金偉紅，蔣凡杰，陳俊華，潘 偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802；2.中科院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所，上海 201800；3.中電科微波通信有限公司，上海 201802）

0 引言

在現(xiàn)代雷達(dá)、通訊及信息對(duì)抗領(lǐng)域中，對(duì)共形天線的需求越來越強(qiáng)烈。特別是現(xiàn)代彈載導(dǎo)引設(shè)備由于彈徑有限，天線孔徑被嚴(yán)格限制。復(fù)合制導(dǎo)體制的要求還使得有限的孔徑被迫分?jǐn)偨o多種天線，從而使得每種天線難以滿足設(shè)備性能日益增長的需求。本文設(shè)計(jì)了一種基于彈載共形應(yīng)用的對(duì)數(shù)周期折合槽天線（LPFSA），工作帶寬足以覆蓋無源導(dǎo)引設(shè)備的帶寬需求（10∶1）；波束覆蓋彈頭軸線方向，從而可以滿足導(dǎo)引頭的空域覆蓋要求；共形能力則使得這種天線無需占用導(dǎo)引頭孔徑資源，為有源導(dǎo)引頭天線省出寶貴的空間；而耐溫性能又使其只需有限保護(hù)就可以在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受較高的溫度，因而可以應(yīng)用到多種使用場合。

LPFSA天線的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是對(duì)數(shù)周期天線（LPDA）的一種變形，最早由Greiser于1964年在伊利諾伊大學(xué)天線實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)報(bào)告中提出［1］。文獻(xiàn)［2］研究了多槽并聯(lián)情況下的槽線天線輸入阻抗，給出了阻抗估算公式：

1994年，Nurnberger、Mosko等人分析了LPFSA天線在平面和柱面平臺(tái)上共形的阻抗及輻射特性［3－4］，并對(duì)天線的部分結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了改進(jìn)，分析了槽寬對(duì)數(shù)變化情況下的輸入阻抗。2005年，文獻(xiàn)［5］分析了寄生槽對(duì)輻射特性影響及原理，認(rèn)為其能保證折合槽內(nèi)的磁流保持平行，從而抑制背瓣和旁瓣。此外還提出不使用寄生槽而增大FSA邊緣槽寬以改善方向圖輻射特性的方法。文獻(xiàn)［6］對(duì)上述分析進(jìn)行了總結(jié)和試驗(yàn)分析。

圖1 LPFSA天線的原理結(jié)構(gòu)

1 設(shè)計(jì)方法

LPFSA多數(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法與齒片形對(duì)數(shù)周期天線相類似，輸入阻抗可按下列敘述計(jì)算。齒片形對(duì)數(shù)周期天線頂角2α的取值范圍一般為40～70°。在這個(gè)范圍內(nèi)，齒片形對(duì)數(shù)周期天線的諧振阻抗一般在100～200Ω范圍內(nèi)［7］。根據(jù)巴俾涅原理，與之互補(bǔ)的對(duì)數(shù)周期槽天線（LPSA）的諧振阻抗應(yīng)為：

式中，Z0為自由空間波阻抗。根據(jù)式（1），與該LPSA天線具有相似結(jié)構(gòu)特征的LPFSA天線的諧振阻抗應(yīng)滿足：

將式（3）代入式（2），可得LPFSA天線的諧振阻抗和與之具有相似結(jié)構(gòu)特征的齒片形對(duì)數(shù)周期天線諧振阻抗的關(guān)系：

根據(jù)式（4），可以依據(jù)對(duì)常規(guī)齒片形對(duì)數(shù)周期天線的了解來設(shè)計(jì)LPFSA天線的饋線阻抗。由于大多數(shù)齒片形對(duì)數(shù)周期天線的輸入阻抗在150Ω附近，因此可以算出通常設(shè)計(jì)參數(shù)下的LPFSA天線的諧振阻抗在60Ω附近，并隨參數(shù)的變化在45～90Ω范圍內(nèi)變化。

印制LPFSA天線的方向圖為雙面輻射，輻射最大方向與天線所在平面的夾角約為30～60°。為了抑制天線背面輻射，天線需要安裝一個(gè)吸收腔。吸收腔腔深的設(shè)計(jì)與工作頻段及吸波材料有關(guān)。天線采用共面波導(dǎo)饋電，饋電端以SMA接頭垂直過渡饋入饋線。

本文所設(shè)計(jì)的天線的展開尺寸為：0.4λL×0.32λL×0.08λL，其設(shè)計(jì)工作帶寬為5∶1。為了保證天線能夠在短時(shí)間內(nèi)耐受300°C的高溫而保持正常物理特性，天線采用了耐高溫吸波材料、耐高溫焊點(diǎn)和反極性SMA接頭，并對(duì)印制板材料進(jìn)行了溫度性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 仿真分析

設(shè)計(jì)人員首先對(duì)展開狀態(tài)下的LPFSA天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。為了方便敘述，定義整個(gè)工作頻段最低端頻率為fL，波長為λL。仿真使用了Ansoft公司的HFSS軟件FEM求解器，由于天線頻帶較寬，仿真模型中忽略了高端的細(xì)微結(jié)構(gòu)，并在fL～5fL頻段采用了分段仿真的方法，在結(jié)果中合成為單一曲線輸出。LPFSA天線和加載LPFSA天線的仿真模型如圖2所示。模型中天線軸向指向Z＝－90°方向，兩種模型具有相同的外尺寸。相應(yīng)模型的駐波仿真結(jié)果如圖3所示。相應(yīng)模型的方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。實(shí)線為E面方向圖（軸向面方向圖），虛線為H面方向圖。

圖2 LPFSA天線的仿真模型

3 LPFSA天線在fL～5fL頻段的駐波仿真曲線

4 LPFSA天線在頻率為5fL時(shí)的方向圖仿真曲線

從仿真可以看出，容性加載槽可以極大拓展頻率低端的駐波帶寬。根據(jù)仿真，天線在E面呈現(xiàn)雙面輻射的特性，其波束指向沿軸向方向?qū)ΨQ（Z＝－90°方向），與軸線夾角約45°。方向圖在軸向方向存在一個(gè)極深的零深，這是由于正反兩面的輻射相位相反，在軸線方向的場強(qiáng)反相疊加形成的。當(dāng)天線其中一面輻射被吸收腔吸收后，該處的零深即消失。此外，在沿天線面法向方向的對(duì)稱位置還存在兩個(gè)較小的背瓣。這兩個(gè)背瓣通過調(diào)整寄生槽長度可以加以抑制。

圖6 與共形表面曲率一致的共形LPFSA天線E面方向圖實(shí)測曲線

表2 安裝于共形平臺(tái)上的LPFSA天線E面方向圖數(shù)據(jù)列表

3 實(shí)測結(jié)果

基于柱面共形平臺(tái)加工的吸收腔深度縮減為0.08λL的共形天線，其單元駐波、測試方向圖及相應(yīng)測試數(shù)據(jù)分別如圖5、圖6及表1所示。圖5中Mark1～Mark4標(biāo)記的頻點(diǎn)分別為：fL、10fL、1.4fL、10.84fL。

圖5 與共形表面曲率一致的共形LPFSA天線實(shí)測駐波曲線（0.625fL～12.5fL）

表1 共形LPFSA天線E面方向圖數(shù)據(jù)列表

天線安裝于共形平臺(tái)上的測試方向圖及相應(yīng)測試數(shù)據(jù)分別如圖7、表2所示。測試時(shí)，針對(duì)fL～10fL進(jìn)行了測試，表明天線的工作帶寬可以覆蓋到10fL。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天線面彎曲后的性能與展平時(shí)相差不大，低端增益下降是由于吸收腔變淺造成的。天線安裝于共形平臺(tái)后，性能發(fā)生了較大變化，首先是波束變窄，波束指向更接近軸向、背瓣變小甚至消失。其次是面向法線方向的方向圖變得凸凹不平，但軸線方向方向圖依舊保持平滑。總的來看，安裝于共形平臺(tái)上的天線的測試結(jié)果相對(duì)于單獨(dú)測試時(shí)而言，頻率高端方向圖變窄，波束指向更靠近軸線方向；低端方向圖依然保持較寬的波束，指向則偏向法線方向。天線增益有所抬高，部分原因是波束被壓窄，部分原因是測試誤差造成的。

圖7 安裝于共形平臺(tái)上的共形LPFSA天線實(shí)測E面方向圖

事實(shí)上天線在共形平臺(tái)上的安裝位置對(duì)天線性能的影響也比較大。越靠近平臺(tái)前端，天線的性能表現(xiàn)越好。安裝于共形平臺(tái)的各天線均經(jīng)過了沖擊、振動(dòng)、高溫烘烤等測試，表明其滿足彈載使用的需要。

4 結(jié)束語

本文給出了LPFSA天線輸入阻抗的估算公式，分析了其它各類參數(shù)對(duì)天線的影響，提供了LPFSA天線的簡要設(shè)計(jì)方法。并通過計(jì)算、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合的辦法設(shè)計(jì)了一種能夠用于彈載表面共形陣列的寬帶共形天線。通過加載，這種天線比同頻段下同類天線所需占用的表面積小60%，其在超過8：1頻段范圍內(nèi)達(dá)到VSWR＜2.5：1，如果放松對(duì)駐波的要求，其工作帶寬可達(dá)10：1。文章分析了該類天線的增益、波束指向、空域覆蓋等性能，最后對(duì)比了天線安裝于共形平臺(tái)前后的性能變化。對(duì)比分析表明，安裝于共形平臺(tái)合適位置的這類天線，性能可以達(dá)到該類平臺(tái)的使用需求，并可以滿足相應(yīng)的力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境要求。

［1］GreiserJ W.Research on log－periodic arrays of slots，No.3，contract No.NOBSR85243［R］.University of Illinois Antenna Laboratory，Urbana，Tech.Rept.，1964.

［2］Tsai HS，York RA.Applications of planar multiple－slot antennas for impedance control，and analysis using FDTD with Berenger′sPMLmethod［C］∥Antennas and Propagation Society International Symposium，1995.AP－S.Digest，1995（1）：370－373.

［3］Numberger MW，Volakis JL，Mosko JA，et al.Analysis of the log－periodic slot array［C］∥IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest，1996：1282－1285.

［4］Nurnberger MW，Bindiganavale S，Kempel LC，et al.A－nalysis of a Log－Periodic folded slot antenna array on planar and cylindrical platforms［D］.University of Michigan Radiation Laboratory，Tech.Rept.，1994.

［5］David A，Río D，Rafael A，et al.Ways to improve the radiation pattern of a LPFSA［C］∥IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest，2005：410－413.

［6］David A，Río D.Characterization of log periodic folded slot antenna array［D］.MS Dissertation，Department of E－lectrical Engineering，University of Puerto Rico，2005.

［7］林昌祿，聶在平.天線工程手冊(cè)［M］.1版.北京：電子工業(yè)出版社，2002.