周向前傾彈載介質陣列天線的設計*

蘇貞霞,常樹茂

(西安郵電大學,西安　710061)

周向前傾彈載介質陣列天線的設計*

蘇貞霞,常樹茂

(西安郵電大學,西安710061)

摘要:根據彈載探測系統的探測要求,設計了一款毫米波介質陣列天線。將6個介質天線單元均勻安裝在彈體側向一周,通過波導饋電形成陣列天線。闡述了基本理論和設計方法,給出了設計尺寸。ANSOFT HFSS仿真結果表明,該陣列天線輻射方向圖軸向前傾30°,周向方向圖接近圓,且在37.8~38.9 GHz的工作頻段內VSWR<2,最高增益可達到11 dB。該陣列天線適用于相關工程。

關鍵詞:彈載天線;介質天線;軸向前傾

0引言

彈載天線是彈載探測和彈載通信系統中重要組成部分。不同的使用目的,對天線輻射方向要求不同。對地探測,一般要求天線輻射的最大值在軸向附近;對于遙測遙控的彈載通信系統,一般要求天線輻射的最大值在周向附近;對空探測系統,一般要求天線輻射方向圖為周向前傾。天線安裝在軸向前端,可以實現天線輻射的最大值在軸向附近[1-2]。天線安裝在彈體側體,可以實現輻射最大值在周向附近[3-4]。文中設計了一種毫米波介質陣列天線,天線安裝在彈體側體壁上,而輻射方向圖的最大輻射方向軸向前傾30°,周向基本為全向。這種設計滿足了彈體前部不允許安裝天線,且又要求探測范圍覆蓋前向180°的要求。

1天線設計

介質天線的凸出部分插入波導中,使波導內的電磁場對其進行激勵饋電。由電磁波理論知,介質片對電磁波有導向作用。考慮到設計的天線輻射方向圖有沿軸向前傾的要求,設計中使介質片整體指向彈體軸向。為了達到天線與彈軸垂直的面上方向圖接近全覆蓋,采用沿彈體圓周間隔60°均勻分布6個天線單元的天線陣方法。

1.1　天線單元結構設計

天線使用波導激勵[5-8]。為了使波導中的介質與波導中的空氣界面反射較小,插入波導中的介質終端做成漸變形狀。彈載介質天線單元設計如圖1(a)所示。矩形波導和表面波結構耦合,使一部分輸入功率轉換為束縛在介質表面的表面波,直到終端處輻射。考慮到隨著天線介質片直徑的逐漸減小,介質中的電磁波相速度會相應的逐漸提高。為使末端相速度接近于自由空間相速度,從而減弱末端的反射,介質片的形狀設計成錐形。為了滿足介質天線的增益、主瓣寬度、副瓣電平和帶寬的設計要求,介質天線的長度、截面面積可以由式(1)~式(3)來估算確定。

(1)

(2)

(3)

式中:l為介質片的長度;k為真空中電磁波波數;kz為介質天線中電磁波波數;smax為錐形介質片的大截面面積;smin為錐形介質片的小截面面積。根據電磁波理論可以推出天線單元輻射方向圖函數為:

(4)

1.2　天線的具體尺寸

圖1　天線尺寸圖

由上面理論公式得到天線設計的基本尺寸。利用HFSS電磁場仿真軟件,經過大量的仿真調試和優化,得到滿足設計要求的尺寸,如圖1(b)、圖1(c)所示。圖中,介質片的介電常數εr=2.17,長度L1=25 mm,厚度h1=3.1 mm,空腔的尺寸為a×b=7.11 mm×3.56 mm,與WR-28B標準金屬波導的尺寸一致。插入波導內介質高度h2=4 mm,矩形部分高度h3=1 mm。介質片的寬度L4=17.8 mm,介質片上開槽部分的尺寸和矩形波導內的插入部分的尺寸一致。介質天線邊緣到彈體金屬槽邊緣的距離L3、L6和h7分別為4 mm、10 mm和5 mm。

1.3　建模及仿真結果分析

在HFSS中仿真[9],整體建模如圖2所示。其中金屬柱半徑為40 mm,高度為170 mm。

圖2　天線仿真結構圖

圖3是介質天線陣的仿真結果。由仿真結果可知:周向輻射方向圖最大值11 dB,最小值為1.3 dB,不圓度為±5 dB。由圖3(b)可以看出輻射方向圖的最大輻射方向與軸向夾角30°(即前傾30°),天線陣增益大于6.5 dB。在180°的輻射范圍內,輻射最小方向在0°處(即軸向處),此方向天線增益大約-9.2 dB。

圖3　天線方向圖

增益雖說軸向較小,但考慮到目標彈體正前方,其目標雷達橫截面積最大,且較小增益范圍小于±10°,所以這種天線特性不影響探測性能。由圖4的天線駐波比知在37.8~38.9 GHz頻帶內,駐波比小于2,即天線有1 GHz的工作帶寬。

圖4　天線駐波比

在調試過程中總結出幾條規律:

1)介質的長度越大增益越高方向性越好,但是,文中考慮到實用性和結構的最小化選擇了最佳長度。

2)介質的體積對結果的影響是最直接的,圖5是假定其它尺寸一定,通過改變介質的厚度h1的大小得出的駐波比的仿真結果,由圖可以看出駐波比隨著h1的變化而不同,其中h1=3.1 mm時效果最好。

圖5　天線體積對駐波的影響

2結論

文中設計了一種彈體側壁安裝,圓周6單元均勻分布的毫米波介質陣列天線。ANSOFT HFSS仿真結果表明該天線實現了與彈軸垂直的面上方向圖接近全面覆蓋,與彈軸向前傾30°輻射方向最大的設計。天線最大增益達11 dB,在1 GHz的頻帶內駐波比VSWR<2。該設計可以應用于天線無法安裝在彈體前部,但卻要求既要前向探測,又要周向探測的場合。由于各種實際影響,該加載天線置于實際載體后性能會稍有改變。因此,加工實物、進行實測、實際調試是進一步要做的工作。

參考文獻:

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[9]謝擁軍, 劉瑩, 李磊. HFSS原理與工程應用 [M]. 北京: 科學出版社, 2009.

收稿日期:2014-07-10

作者簡介:蘇貞霞(1988-),女,陜西扶風人,碩士研究生,研究方向:射頻電路與天線設計。

中圖分類號:TN82

文獻標志碼:A

The Design of A Circumferential Forward Missile-borne
Dielectric Rod Array Antenna

SU Zhenxia,CHANG Shumao

(Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710061, China)

Abstract:According to probing requirement of missile-borne antenna probing system, a millimeter-wave dielectric antenna array was designed. Six antenna units were evenly mounted on projectile circumferential that were feed through waveguide, forming medium array antenna. The basic theory and design methods were described and design dimensions were given. ANSOFT HFSS simulation results show that the axial radiation patterns lean forward 30°, the circumferential radiation pattern is nearly circular, the VSWR<2 at working bandwidth 38~39 GHz, and the antenna highest gains reach 11 dB. This array antenna can be used for related projects.

Keywords:missile-borne antenna; dielectric rod antenna; forward