基于S波段彈載遙測系統的微帶天線*

姚琴琴,馬鐵華,謝　銳,鄭鳳芹

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室, 太原　030051)

基于S波段彈載遙測系統的微帶天線*

姚琴琴,馬鐵華,謝銳,鄭鳳芹

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室, 太原030051)

摘要:隨著信息技術快速發展,在炮彈落地測試儀器不好回收的情況下,研發了彈載遙測系統,針對遙測系統對天線的特殊要求,采用了理論分析、軟件仿真、模擬實驗相結合的方法,設計了S波段微帶貼片天線,通過HFSS13軟件進行仿真,并對仿真結果進行分析,進一步實現了對所設計天線的優化,確保天線方案可行,通過彈載姿態測試儀與天線聯調模擬實驗,驗證了本設計可以應用于實際測試中,可以很好的完成數據的無線傳輸,實現對測試裝置的監控。

關鍵詞:姿態測試;彈載天線;遙測;高頻結構仿真器

0引言

隨著軍事科學技術的迅猛發展,彈丸運行和侵徹過程中各種數據的采集在實際應用中變得越來越重要。彈載數據測試系統是一種專門針對導彈發射試驗而設計的數據記錄裝置,可用以完成導彈飛行過程中各種振動、噪聲、溫度、熱流等環境參數和速度、加速度、旋轉等姿態信息的實時記錄[1]。目前國內外研制的彈載姿態測試系統已經能夠完成對飛行體運動過程中各項參數的采集、存儲與分析,實現對彈丸各技術指標的評測。但是,由于子彈或炮彈飛行距離較遠,范圍較大,并且在炮彈落地瞬間會伴隨有高溫、高壓的現象,這些都會導致系統不能及時的回收,延長了每次試驗的周期。因此,在實際情況下,彈載遙測系統的無線實時傳輸具有更高的戰略意義,使得當前彈載測試系統研究的重點放在傳感器和彈載單片機的共同作用下,將采集存儲的數據通過無線傳輸模塊實時準確的傳輸到接收設備中。

1天線尺寸的確定

天線工作頻率f0=2 400 MHz,則工作波長λ0=125 mm。選用銅作為貼片和探針的材料,所選用的介質基片材料的介電常數為εr,損耗正切tanδ,相對磁導率μr。模型天線形式采用一點饋電方形切角貼片來形成左旋圓極化,如圖1所示。

圖1　同軸探針饋電方形切角圓極化縱帶天線

需要確定的參數有:矩形貼片長L、寬W,介質基片長LG、寬WG,以及饋電點位置ρ。

1.1　貼片寬度W的選擇

根據所選介質基片的參數,可算出貼片寬度的初值[2]為:

(1)

1.2　介質基片有效參數μe、εe

1)計算εe

由施耐法經驗公式[3]得:

(2)

而由Wheeler理論公式[4]得:

(3)

式中:

(4)

(5)

式(2)與式(3)取均值可確定所選材料εe的值。

2)計算μe

根據Wheeler公式[4]計算μe:

(6)

式中:

(7)

基片有效等效參數:

(8)

3)磁介質基片中的波長

(9)

4)矩形貼片長度的選擇

(10)

式中:

(11)

天線設計中要求不能激起高次模,并且使長度L與寬度W相等,多次修改W的取值,重復計算式(1)～式(11)的值,直至W=L。

2測試系統組成

存儲遙測系統由彈上部分和地面站兩個部分組成,采集存儲電路和無線傳輸電路構成了彈上部分,其中采集存儲電路又分為傳感器、調理電路、A/D轉換電路、存儲器和CPLD幾個部分;無線傳輸電路分為單片機、無線收發芯片以及天線;地面站由一個主機和多個節點組成,每個節點又是由無線收發芯片、天線和單片機組成。系統框圖如圖2所示。

圖2　系統總體方框圖

彈上部分主要由以下幾個部分組成:傳感器、調理電路、A/D轉換器、存儲器和控制單元等構成。其工作過程是:傳感器將采集到的爆炸威力場、角度、加速度、姿態等信號傳輸給調理電路,經過調理電路的濾波放大等處理后進行A/D轉換,然后保存在存儲單元中。地面站部分是由一個主機、多個節點和天線組成,主要工作流程是:節點接收主機指令,通過天線發送出去,主機也可直接配置節點去測某個頻率或地址的信號,從而節點可以快速、及時的捕獲數據。

3彈載遙測系統天線設計與仿真

HFSS高頻結構仿真器(high frequency structure simulator)是利用有限元方法的三維頻域電磁場計算軟件,它對求解的微波問題以四面體為單元進行網格剖分,通過對各個剖分單元電場分量的計算來獲得各個微波物理量和特性參數[5]。

3.1　微帶貼片天線仿真

已知Rogers TMM6(tm)材料的相對介電常數εr=6,相對磁導率μr=1,損耗正切tanδ=0.002 3,按照式(1)～式(11)可求出基片尺寸。對矩形貼片長和寬的試算過程如表1所示。

表1　試算過程

最終選取W=L=25.52 mm,WG=LG=36.085 mm。再求出其他參數的值。

綜上,選擇了厚度為h=1 mm,相對介電常數εr=6,相對磁導率μr=1,損耗正切tanδ=0.002 3的Rogers TMM6(tm)材料作為設計中應用的基片材料。設計的微帶天線尺寸為:W=L=25.52 mm,WG=LG=36.085 mm,C=3.55 mm,ρ=4.976 4 mm。

3.2　仿真結果分析

利用仿真軟件Ansoft HFSS13創建了平面微帶天線的仿真模型。由仿真結果可知,當對完全采用理論值設計的微帶天線進行仿真時,得到的結果并不理想,其工作的中心頻率發生偏離,大約在2.43 GHz,特征阻抗Z=54.807 1+2.109 1j。根據經驗,可以適當的變動一下饋線的位置、尺寸來實現阻抗的匹配,調整矩形貼片的邊長來調節天線的工作頻率,直到得到比較理想的仿真結果。

經過大量的建模嘗試,最終獲得了比較理想的仿真結果,此時設計的天線尺寸為:W=L=24.9 mm,WG=LG=36.085 mm,C=3.55 mm,ρ=4.8 mm。

3.2.1　S參數圖

S參數代表了在波端口處電磁波的反射功率和入射功率的比值。而S參數圖則是給出了天線的S參數隨頻率變化的圖形,通常情況下,默認S參數只有在低于-10 dB時天線才能夠正常工作,這時對應的VSWR≈2。絕對頻帶寬度被定義為S參數小于-10 dB的頻率范圍,相對頻帶寬度定義為絕對帶寬與中心頻率之比。

圖3　平面微帶天線S參數圖

由圖3可以看到,所設計的微帶貼片天線具有以下的參數:工作的中心頻率為2.4 GHz,通帶范圍是2.390 9～2.410 5 GHz,絕對頻帶寬度為0.019 6 GHz,相對頻帶寬度為0.8%,S參數的最低點為-25.640 9 dB,可以滿足設計要求。

3.2.2　VSWR圖

駐波比(VSWR,voltage standing wave ratio)是衡量天線性能的重要參數,天線正常工作時,通常要求天線的駐波比的值不大于2即要求VSWR≤2。從圖4可以看出天線的駐波比的最低值為0.908 2,在2.390 9～2.410 5 GHz頻段內駐波比小于2,可以滿足天線正常工作的要求,由圖3和圖4可以看出,S參數圖與駐波比基本上保持一致的關系。

圖4　平面微帶天線電壓駐波系數與頻率關系

3.2.3　方向圖

方向圖表示了天線的輻射參量隨空間方位變化的圖形,從圖5可以看出矩形微帶貼片天線的對稱性較好,在Z軸方向輻射強度達到最大。E面和H面的半功率波束寬度為-54°～54°之間,具有比較寬的波束寬度。

圖5　矩形微帶天線方向特性

圖5(a)為φ=0°的天線方向圖,圖5(b)為φ=90°的天線方向圖。由此可看出天線增益為3.091 7 dB,計算和建模的過程中采用了一定的近似和理想化,實際結果一般要小于這個值,但依然可以滿足文中對天線設計的要求。

3.2.4　輸入阻抗

天線的輸入阻抗一般由電阻分量和電抗分量組成,當存在電阻分量時,天線從饋線提取的功率信號就會降低,因此天線設計的一個重要任務是消除輸入阻抗中摻雜的電抗分量,提高電阻分量在饋線的特性阻抗中的比例。匹配的優劣一般是通過駐波比VSWR來衡量。VSWR的值越小,表明反射越小,匹配度越高,傳輸效率也就越高。

圖6　輸入阻抗圖

圖6可得微帶天線在2.40 GHz處的輸入阻抗為Z=49.653 5+5.200 9j,接近饋線50 Ω的特性阻抗,說明天線與饋線之間的匹配很好。由天線相關理論知識可知,輸入阻抗一般都具有電阻分量和電抗分量,存在電抗分量時,會使得天線從饋線提取信號功率的能力降低,所以盡量的減小電抗分量才是意味著天線具有良好的匹配性能。

綜上所述,此微帶天線在工作頻率2.40 GHz處輸入電壓駐波系數為0.906 2,在2.390 9～ 2.410 5 GHz的頻率范圍內輸入電壓駐波系數VSWR<2,電壓駐波比VSWR和天線的相對帶寬都相當不錯,而且結構尺寸也適當,可以滿足彈丸尺寸對貼片天線的要求。

4聯調測試過程與分析

彈載姿態測試系統采用了CPLD+閃存+單片機的硬件組合,完成對彈丸姿態數據的采集存儲,采用單片機+nRF2401+REX2401硬件組合實現數據的無線發送與接收。實驗室研發的姿態儀已經經過多次試驗的驗證,可以完成數據采集存儲,為測試無線傳輸部分可行性,并簡化實驗過程,測試地點選在空曠的馬路上,使用信號發生器輸出幅值為4.4 V,頻率為1 kHz的正弦波形,系統采集到信號后通過無線發送出去,由距離1 km外的地面站通過無線接收模塊完成數據接收,并在上位機上顯示出來。波形如圖7所示,與輸入波形吻合。說明采集存儲模塊的設計能夠完成測試需求。

圖7　系統采集到的波形顯示

將無線模塊接收到的數據保存到上位機上,用文本/HEX編輯器UltraEdit 32軟件打開,結果如圖8所示,數據完整無誤。根據大量實驗和對回讀數據結果分析可知,經過微帶貼片天線傳輸系統回讀數據與信號源發出的數據保持一致,而且沒有出現丟數、誤碼的現象,實現了微帶天線數據傳輸的基本功能。

圖8　測試的回讀數據

5總結

結合彈丸姿態測試對天線的具體要求,提出系統總體設計方案,對姿態信息的采集存儲進行了介紹,在現有姿態測試儀硬件電路基礎上,加入可與其直接相連的無線傳輸芯片,以小的改動實現對成本的控制;采用相對介電常數較大的介質基片,以保證縮小天線物理尺寸又不會影響其天線的綜合性能;通過對彈載姿態測試系統硬件電路與微帶貼片天線聯調,對測試得到的大量數據進行了分析比較,可以看到表明設計的無線傳輸模塊可以準確的發送、接收采集模塊存儲的數據,得到的結果與實測結果相一致,滿足彈丸姿態測試要求。

參考文獻:

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收稿日期:2014-04-18

基金項目:中北大學科學基金資助

作者簡介:姚琴琴(1989-),女,山西晉城人,碩士研究生,研究方向:動態測試與智能儀器。

中圖分類號:TP331

文獻標志碼:A

S-band Microstrip Antenna on the Projectile Telemetry System

YAO Qinqin,MA Tiehua,XIE Rui,ZHENG Fengqin

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:With rapid development of information technology, shell landingthe onboard telemetry system special requirements for antenna the method theoretical analysis, software simulation, to design the S-band microstrip patch antenna. Simulation through HFSS13 software. the simulation results were analyzedhe optimization the designed antenna, the antenna scheme is feasible. issile attitude tester and the antenna alignment simulation experiment verify the design can be used in the actual test, this method can complete wireless transmission of data successfully, as well as monitor and control the testing device.

Keywords:attitude test; antenna; telemetering; HFSS13