一種彈載共形錐形波束天線的設計

方 鑫 肯 諾 王 慷 張 玲

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

在現代高科技局部戰爭中，中遠距離導彈襲擊已成為主要的有效打擊手段之一。導彈在預定軌跡飛行中，地面技術人員通過彈載數據鏈天線獲得其飛行狀態等數據信息，同時可對導彈進行制導和引信［1］。隨著現代高科技戰爭對導彈的性能要求不斷提高，以及導彈特殊的應用環境，對彈載數據鏈天線提出了很多特殊的要求:首先，保證導彈的氣動力學特性、機械結構和強度，要求彈載數據鏈天線能夠與彈體共形;其次，為適應由彈體機動帶來的天線指向變化，要求彈載數據鏈天線的方向圖具備特定的覆蓋能力［2］。

彈載天線的種類有多種，常用的彈載天線形式有微帶天線、振子天線葉片天線、開槽天線、螺旋天線，以及波導天線等。加載于尺寸有限的同一殼體表面時，天線間的互耦往往是造成彈載電子設備相互干擾的主要原因［3］。

本文結合實際項目需求，研究設計了一種彈載共形微帶準八木天線。該天線與彈體共形，不影響彈體的空氣動力學特性，并對其進行了性能仿真。

1 天線要求及方案設計

1．1 性能要求

天線的主要技術指標要求如下:

(1)天線工作頻率:10GHz±5%;

(2)天線駐波比:VSWR＜2.0;

(3)天線增益:Gain＞2dBi;

(4)極化方式:線極化;

(5)波束形狀:后向錐形波束。

圖1 彈載天線安裝位置示意圖

天線的安裝方式如圖1所示，天線置于彈體前端，同時實現后向錐形波束輻射的方向圖。

1．2 天線設計

綜合考慮天線體積、帶寬、方向圖形狀以及彈體對其影響，選擇采用微帶準八木天線。

考慮到彈體的有限空間以及共形需求，選取介電常數為2.17，厚度為0.254mm 的Rogers 介質板，該介質板柔韌可彎曲共形。天線結構設計如圖2所示。

圖2 天線陣列設計示意圖

如圖3所示，圓錐尺寸為上直徑為12mm，下直徑為26mm，高為40mm。天線共形裹于椎體表面，整體可置于彈體前端腔內。利用金屬圓柱體代替彈體構建仿真模型，如圖4所示。應用電磁仿真軟件AnsoftHFSS 對其進行仿真計算。

圖3 天線仿真模型圖

圖4 天線加彈體的仿真模型圖

選擇合適的介質材料作為天線與彈體表面的過渡，可以有效改善彈體對天線波束形狀以及駐波的影響［4］。實際工作時，天線的內外表面會發泡充滿介電常數為4.2，損耗角為0.01 的介質，所以將其加入模型設計進行仿真計算。從天線仿真計算結果，圖5-6 中可以看出，天線輻射方向圖受到彈體的影響較小，可以實現后向輻射的使用要求。

將天線仿真優化到最優解，得到最佳尺寸。

圖5 天線回波損耗

圖6 天線方向圖

2 工差分析優化

采用AnsoftHFSS 軟件對天線模型進行仿真，并對實際安裝過程中相應的參數進行了優化分析，結果如下所示。

2．1 外罩介質厚度公差分析

保持聚四氟乙烯外罩介電常數4.2 不變，對外罩表面介質厚度進行公差比較，結果如圖所示，當厚度增加時，駐波、方向圖和增益性能變化不大，駐波隨厚度增加略有向低頻偏的趨勢。

圖7 駐波隨外罩厚度的變化

圖8 方向圖隨外罩厚度的變化

2．2 外罩內外填充介質的介電常數公差分析

保持外罩厚度不變，改變其介電常數進行比較，如圖所示。由圖可知外罩介電常數對天線的駐波性能影響較大。增益略有減小，方向圖的變化善可接受。

2．3 天線內表面與外罩介質的間隙的影響分析

保持天線和外罩厚度不變，使其內部天線與內部的外罩介質存有空氣間隙，變化其間隙的厚度，對天線的性能影響如圖所示。可見空氣間隙較小時對性能變化不大，間隙達到2mm 時，駐波性能變差的比較明顯，方向圖也出現多瓣情況。在安裝時，間隙應保證小于2mm。

圖9 駐波隨外罩介電常數的變化

圖10 方向圖隨外罩介電常數的變化

圖11 駐波隨內部空氣間隙的變化

2.4 天線外表面與接觸外罩介質的間隙的影響分析

保持天線和外罩厚度不變的情況下，改變其天線與外罩不完全接觸的空氣間隙，天線性能變化如圖所示。當間隙小于0.8mm 時，天線性能變化不大，當間隙大于0.8mm 時，駐波性能變化比較明顯。

圖12 方向圖隨內部空氣間隙的變化

圖13 駐波隨外部空氣間隙的變化

圖14 方向圖隨外部空氣間隙的變化

2．5 貼片裹在圓錐表面的高度

保持外罩和天線的指標不變，將天線裹在圓錐高度改變，對天線性能進行比較。如圖所示，可知天線裹在圓錐的位置對天線的性能影響也很大，當高度向下移動6mm 后天線駐波性能很差，方向圖和增益也出現紊亂現象。

圖15 駐波隨貼片高度的變化

圖16 方向圖隨貼片高度的變化

以上分析為對安裝過程中的一些工差進行了優化分析，得知安裝過程中應該注意影響較大的參數，以保證實物工作性能完備。

3 加工測試

天線加工后的結構如圖所示，內外部均為聚四氟乙烯材料，天線裹于內部結構表面，外部聚四氟乙烯罩進行嵌套，同時利用螺絲進行壓緊固定。加工完成后的天線進行了駐波以及方向圖測試。

天線的駐波利用矢量網絡分析儀室外無遮擋輻射測試，天線輻射方向圖采用微波暗室遠場測試。

天線駐波測試結果圖18所示，整體測試結果，駐波方向圖結果符合性能要求，駐波性能S11＜-10dB，方向圖向后方輻射，增益最大為2.8dBi，向前方最大增益為-2.3dBi。

圖17 天線加工圖

圖18 天線回波損耗測試

圖19 天線10GHz 測試方向圖

4 結論

本文設計了一種彈載天線陣，該方案結構簡單，設計方便，帶寬寬，尺寸小。利用仿真軟件計算出最優結果的尺寸，同時對實際安裝過程中的一些工差進行了相應的分析，驗證了其設計安裝的可行性。加工實物，進行安裝測試，滿足指定天線設計要求。

［1］楊超，S 波段彈載柱面共形微帶天線的設計［D］.西安:西安電子科技大學，2013.

［2］何兵，劉剛，南楠等.一種飛航導彈彈載發射天線設計［J］.微波學報，2011，27(3):43-46.

［3］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業出版社，2002.

［4］梁毅.一種新型彈載天線［J］.無線電工程，2014，(7):66-68.