一種小型化諧波雷達引信天線及天線罩設計

亓 東，王孟倫，李 曉

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

諧波雷達體制引信，利用目標的非線性特性產(chǎn)生的三次諧波信息，實現(xiàn)對目標尤其是人造金屬結構目標的判別。相對于常用體制引信，能夠提供更為豐富的信息、更強的抗轉發(fā)式以及壓制式干擾能力[1]。該體制引信接收信號頻率一般為發(fā)射信號頻率的三倍或者更高，這就對引信收發(fā)天線的設計帶來了更大的挑戰(zhàn)。常規(guī)體制無線電引信多采用共形的波導或微帶天線形式，當收發(fā)頻差較大時，普通形式大尺寸或兩種結構形式的天線將面臨安裝復雜化帶來的強度降低以及結構問題，而單一形式常用的雙頻天線難以實現(xiàn)跨波段的較大頻率跨越[2]。

設計了一種以X波段為基頻發(fā)射天線、以Ka波段為接收天線的共口徑收發(fā)引信天線形式，實現(xiàn)了諧波雷達引信天線的結構緊湊性和模塊化安裝；同時為提高引信接收機信噪比，減小有源器件帶來的高寬帶噪聲影響，提高抗寬帶干擾能力，為天線設計了一種雙頻窄帶引信天線罩，在起到隔熱整流效果的同時，提高引信的頻率選擇接收能力，降低了天線系統(tǒng)的平面安裝復雜程度，優(yōu)化了接收系統(tǒng)的整體效能。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 天線系統(tǒng)組成

考慮武器系統(tǒng)彈體表面安裝空間的緊湊性以及空氣動力的影響，無線電引信天線不能占據(jù)過多的徑向空間以及表面尺寸，引信收發(fā)天線需要選用一種徑向尺寸較小的天線形式。微帶天線一般采用柔性基板蝕刻的形式，具有利于安裝及結構共形的特點，可以作為該需求下的實現(xiàn)方案。

對于彈體全向探測的引信天線形式，周向的探測能力取決于天線的覆蓋性能，同時又進一步?jīng)Q定了射頻通道的數(shù)量。選用的微帶貼片天線作為單元的基本實現(xiàn)形式，單元的E面寬度即決定了單套天線的周向覆蓋角度[3-9]。

選用的發(fā)射基頻天線以及諧波接收天線的周向?qū)挾确謩e如圖1所示。

圖1 天線方向圖

微帶貼片天線的周向波束寬度在75°左右，因此對于系統(tǒng)設計，需要沿彈體方向設置5個獨立的射頻通道，以實現(xiàn)對全向360°范圍的覆蓋；同時，可通過對多通道回波信號的比幅判別計算，理論上達到對全向范圍內(nèi)的目標精確定向探測。天線的周向布局如圖2所示。

圖2 天線構架圖

1.2 天線罩功能

導彈武器系統(tǒng)中，為起到隔熱整流的效果，一般采用輕質(zhì)耐高溫的復合材料作為安裝于彈體表面外置天線罩形式。將頻率選擇技術應用于以復合材料為基底制造的引信天線罩中，使單個天線罩工作于X、Ka兩個不同的工作頻段中，在相對于工作頻率的窄帶范圍內(nèi)，天線罩對天線收發(fā)信號保持正常的透波，對兩頻率點帶外的信號進行阻帶抑制，可有效降低由于混合結構微帶天線帶來的多諧振點造成的有源噪聲抬高。從RCS觀點來看，采用該種形式天線罩后，導彈無線電引信在工作頻點內(nèi)是透明的，對于工作頻段外的有源干擾及轉發(fā)探測信號，引信處于透明狀態(tài)。

2 天線及天線罩設計

2.1 天線設計

雙頻段共口徑天線的設計關鍵在于天線結構形式的選取、陣面布局及饋電網(wǎng)絡的設計。

根據(jù)引信天線的探測需求，單個引信陣列需要實現(xiàn)彈體軸向的窄波束低副瓣設計，需要采用能夠提夠錐削分布的并行或串行饋電網(wǎng)絡，以多個單元線性陣列的方式完成單陣列的組陣。接收天線頻率為發(fā)射天線頻率的三次諧波，因此X波段天線陣單元間距基本為Ka波段天線單元間距的3倍。兩饋電網(wǎng)絡對稱陣列并行放置，實現(xiàn)對各個單元幅相饋電[10-12]。

對于復合了基頻及三次諧波的收發(fā)兩種天線，多個貼片及復雜的饋電網(wǎng)絡相互之間的串擾將非常嚴重。為減小復雜饋電網(wǎng)絡帶來的寄生輻射，降低不同頻段間的耦合，避免大尺寸饋線造成的空間尺寸的不足，采用了多層結構將基頻和諧波頻率饋電網(wǎng)絡放置在不同的介質(zhì)層上，貼片天線單元采用分層放置的形式，同一層的基頻與諧振頻率之間、天線之間拉開一定的間距以降低頻間互耦現(xiàn)象。

天線的結構側視示意如圖3所示，整體結構由微帶貼片單元、饋電網(wǎng)絡、介質(zhì)基板和接地板組成，其中介質(zhì)基板共6層，最上面兩層基板為Rogers 5880 的兩層厚度為0.508 mm的介質(zhì)基板，Ka波段接收天線單元蝕刻于介質(zhì)基板的最上層，饋電耦合縫隙位于第1層基板與第2層基板之間，發(fā)射天線饋線位于第2層下部。從第3層介質(zhì)基板分布X波段發(fā)射天線單元、帶狀線饋電網(wǎng)絡，為改善發(fā)射天線單元輻射性能，在兩層帶狀線基板與天線單元基板之間增加介電常數(shù)為1.06的PMI鋼化發(fā)泡材料。天線整體將發(fā)射及接收微帶單元或饋線分布在不同層的基板上。為進一步降低耦合，在交錯分布的第3層拉開一定的橫向距離，增大兩端口之間的信號串擾。

圖3 天線切面結構圖

在微帶饋電線及上層輻射貼片之間，天線采用H形饋電耦合縫隙，以提供較好的饋電效率和極化純度，如圖4所示，除貼片單元尺寸外，H形縫隙的尺寸對諧振頻率及諧振電阻均由較大的影響。在現(xiàn)有介質(zhì)基板分層條件下，分別對縫隙的臂長及長度進行仿真優(yōu)化，結合微帶貼片的設計，完成天線單元的諧振設計。

圖4 H形耦合縫隙

整體設計后的天線基頻天線單元與諧波天線單元外形仿真外形如圖5所示。

圖5 雙單元計算模型

兩單元諧振計算曲線如圖6、圖7所示。

圖6 基頻發(fā)射天線諧振曲線

圖7 諧波接收天線諧振曲線

經(jīng)對貼片單元、饋電耦合縫隙、結構尺寸等敏感參數(shù)的調(diào)整，基頻發(fā)射天線設計諧振點在11.03 GHz的反射系數(shù)S11≤27 dB,曲線諧振點較設計點偏離0.03 GHz，但由于曲線整體S11≤-15 dB大于500 MHz范圍較寬，不影響發(fā)射天線的設計使用,諧波接收天線諧振最低在33.1 GHz，諧振頻率為發(fā)射天線的3倍。

天線采用8個單元的線性陣列設計，饋電網(wǎng)絡以并饋不等分不同相網(wǎng)絡設計方式。為實現(xiàn)低副瓣設計，收發(fā)天線功分網(wǎng)絡均采用Haming分布，理論電壓分配比設計為：0.084∶0.265∶0.673∶1∶1∶0.673∶0.265∶0.084，同時，為實現(xiàn)波束的前傾探測，對線性陣列進行網(wǎng)絡配相設計[13-15]，即將各個單元的相位通過調(diào)整饋線長度的方式使單元相位步進遞增，設計完成后的8元不等分饋電網(wǎng)絡如圖8所示。

圖8 不等分饋電網(wǎng)絡

將兩不等分不等相饋電網(wǎng)絡與8元天線貼片級聯(lián)，完成線性陣列整體設計，計算完成后的基頻發(fā)射天線及諧波接收天線方向如圖9、圖10所示，所設計的引信收發(fā)天線實現(xiàn)了波束前傾設計，天線前向整體副瓣電平優(yōu)于-20 dB。

圖9 發(fā)射天線方向圖

圖10 接收天線方向圖

2.2 雙頻天線罩設計

通過天線的頻選設計，以實現(xiàn)三次諧波雙頻窄帶選擇功能，更好的抑制帶外的信號干擾。天線罩設計的關鍵在于天線罩內(nèi)部蝕刻的頻率選擇單元的設計以及天線罩的整體制造方式。

2.2.1 頻率選擇單元設計

FSS(frequency selective surface)單元的選擇是實現(xiàn)雙頻窄帶天線罩設計的關鍵。FSS單元設計優(yōu)化的目標為在保證引信天線罩基本透射功能的基礎上，通過FSS單元形狀及整體結構的良好設計，使頻域特性呈現(xiàn)通帶濾波的特點。因此，F(xiàn)SS單元的諧振選擇及設計是功能實現(xiàn)的關鍵技術。

FSS傳輸特性的主要參數(shù)有中心頻率、帶寬以及傳輸系數(shù)等，這與FSS單元的大小、形狀和周期排布方式、電磁波的極化方式等有關。FSS設計中陣列周期的選擇應主要考慮避免結構的規(guī)定頻域內(nèi)表面波的傳輸，使諧振頻率盡量受電磁波的入射角度影響較小。根據(jù)引信天線罩的可能厚度范圍限制，以基頻及諧振頻率為設計通帶中心頻率，通過對不同形狀諧振單元的仿真計算，選擇嵌套方環(huán)單元作為雙頻窄帶單元的實現(xiàn)方式。

對于多諧振單元設計，多采用多諧振單元和多層結構相結合的方法設計多頻帶頻率選擇表面。常用的多諧振單元，其諧振頻率與單元的幾何參數(shù)之間具有直接而簡單的對應關系，適當?shù)卦O置幾何參數(shù)可將頻率選擇表面濾波器的工作頻帶調(diào)節(jié)到所需頻點。確定多諧振單元后，再根據(jù)設計指標所要求的上下邊帶特性，決定采用一層或多層結構。對于嵌套方環(huán)結構，通過對方環(huán)寬度、嵌套深度、開環(huán)枝節(jié)以及基板厚度等參數(shù)的調(diào)整設計，得到嵌套方環(huán)單元外形如圖11所示。

單元的寬帶頻率響應曲線如圖12所示。

FSS單元在兩個頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了窄帶透射性能，有效減小了可能帶外的回波接收?；谠摲N單元形狀，在結構上以聚酰亞胺覆銅薄膜板作為單元的基板，厚度0.04 mm，以六屏結構作為多層實現(xiàn)方式。

圖11 單元形狀

圖12 單元頻率影響曲線

2.2.2 頻選引信天線罩加工及測試

目前，普遍使用的天線罩復合材料有玻璃纖維、芳綸、石英纖維和聚乙烯纖維等增強的樹脂基復合材料。復合材料的耐溫性主要取決于選用的樹脂基體，聚酰亞胺是典型的高溫聚合物基材料，因此選擇外層覆蓋石英增強聚酰亞胺材料作為FSS薄膜結構的保護層。石英纖維作為骨架增強材料，每層復合材料的厚度不大于0.1 mm。

采用光刻法加工FSS多屏結構，以杜邦公司的AP8525R 雙面撓性板作為FSS的加工基材，板材為聚酰亞胺，厚度為0.050 8 mm，正反面的表面覆銅層均為0.018 mm，其中嵌入覆銅結構加工結構如圖13所示。

圖13 嵌入覆銅結構圖

將加工完成的FSS 板材夾層在聚酰亞胺石英纖維布預浸料中，300 ℃高溫模壓成型制備天線罩。單層FSS 厚度小于0.1 mm，兩側各增加兩層聚酰亞胺預浸料，每層預浸料厚度為0.1 mm，則天線罩的總厚度不超過0.5 mm，制備流程如圖14所示。

圖14 制備過程

制備完成后的雙頻引信天線罩如圖15所示。

圖15 雙頻天線罩外形

通過矢量網(wǎng)絡分析儀對材料試片的透射性能進行測試，得到涵蓋兩頻點的透射曲線如圖16所示。

圖16 雙頻天線罩測試通帶

經(jīng)過對制備的雙頻天線罩的測試，基于FSS的雙頻天線罩在基頻及諧波頻率基本實現(xiàn)了兩頻點透射，但在第二頻率點的頻選特性較第一頻段略差，后續(xù)應在合成屏數(shù)及通帶設計上進一步開展工作。

3 結論

根據(jù)彈載諧波雷達體制引信的設計需求，設計了一種共口徑諧波接收及基頻發(fā)射引信天線形式，計算表明，該種形式天線實現(xiàn)了收發(fā)之間的3倍頻諧振特性以及良好的方向圖性能。為進一步改善頻選性能，提高引信的通帶選擇性及抗干擾性能，利用頻率選擇表面技術，基于耐高溫復合引信天線罩材料，制備了雙頻無線電引信天線罩，測試表明：該天線罩在兩個頻率點實現(xiàn)了窄帶透射性能。