彈丸頭錐上小型化共形短路遙測天線

付 強，張海瑞，曹少珺

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

伴隨著我國現階段引信產品的多功能、智能化發展，為提高智能化引信研制產品的研制進度和實用性，在靶場試驗中多需要采用遙測系統獲取彈丸飛行時引信工作的數據參數來判斷武器的工作效果。彈載遙測天線是彈載遙測系統中的關鍵部件之一，對遙測數據的可靠接收發揮重要作用。

目前很多研究者提出了多種彈載共形微帶天線的設計方案[1-4]，主要解決天線彈載共形問題，但是這些彈載天線的尺寸仍然偏大，不符合安裝于彈丸頭錐上的小尺寸需求[1-3]。有研究者采用高介電常數材料的介質板解決了小型化問題，但銑削出的小尺寸天線平臺占用了彈丸頭錐結構體內電路的空間[4]。Waterhouse 于1995 年在文獻[5] 中提出了在微帶貼片天線中加入短路針使天線諧振頻率降低、尺寸減少的方法。大部分文獻對短路針加載微帶天線進行了理論分析[6-8]，然而關于短路針加載微帶天線具體設計方法和設計產品報道不多。

本文針對彈載遙測天線小型化、彈體共形及抗高過載的綜合性問題，提出了彈丸頭錐上小型化共形短路遙測天線及設計方法。

1 天線設計基本原理和設計方法

1.1 多短路針加載短路面的原理

加載短路面的微帶天線是一種四分之一波長結構的微帶天線。相對于半波結構矩形微帶天線，加載短路面天線的矩形微帶天線長度縮小了一半。依據空腔模型法分析加載短路針矩形微帶貼片天線，在頻率不變的情況下，短路針加載前后的λg/2天線和λg/4天線的電場分布圖如圖1所示。由該圖可以更清楚直觀地了解短路針加載微帶貼片天線能實現小型化的原理?？梢园l現加載短路針的微帶天線是一種四分之一波長結構的微帶天線，天線中的電流在一個開路端和另一個開路端之間形成駐波，因此兩個開路端之間有一條零電位線。利用多短路針在零電位線處對地短接形成短路面，從而人工造成了電壓節點，就可以形成開路到短路的駐波結構，這樣天線的尺寸就可以減小一半。

圖1 短路針加載前后天線電場分布對比圖Fig .1 Short circuit pin loading comparison chart

1.2 小型化短路遙測天線設計方法

由于短路針加載貼片天線結構復雜，而天線加載的設計是一個非線性的問題，所涉及的變量包括加載位置、加載的組合形式等，是一個多變量復雜問題，具體設計可以依次從確定微帶天線貼片尺寸、頻率特性和阻抗匹配快速得到最佳參數設計結果。

本文小型化短路遙測天線設計方法按以下幾個步驟確定各參數:

步驟1 根據工程需求和尺寸限制，確定天線基材采用介電常數εr和厚度t的介質材料；確定天線工作頻段，依據空腔模型法，計算天線的尺寸。

步驟2 基于多短路針加載短路面的原理，天線的尺寸大約可以減小一半來初步確定有效輻射貼片尺寸W×L。

步驟3 加載多個短路針在輻射貼片的一邊緣形成一個加載短路陣列面，諧振頻率主要受貼片尺寸、厚度，短路探針的數量和位置以及短路針的直徑和短路針間距影響。依據空腔模型法，初步擬定饋電探針半徑Rt和位置參數(Tx，Ty)。利用計算機軟件優化短路針參數調整矩形微帶貼片天線的諧振頻率特性確定的自由參數：第一短路針位置(Dx，Dy)、短路探針的數量N、短路針半徑Rz和短路針間距D。

步驟4 匹配天線的阻抗特性。加載短路針矩形微帶貼片天線的阻抗特性除了與前幾步相關參數有關外還與同軸饋電探針的位置(Tx，Ty)有關。在確定天線頻率特性后，保持前面參數不變的條件下，對饋電探針位置進行優化,得到匹配良好的阻抗特性。

由此，完成多短路針加載短路面的微帶天線設計。

2 天線結構模型及參數設計

2.1 天線結構模型

本文設計的小型化共形短路遙測天線結構形式如圖2所示。根據工程需求和尺寸限制，選用介電常數εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介質板做天線基板。

圖2 短路針加載示意圖Fig.2 Short circuit pin loading

圖2所示影印部分為天線基板正面印制矩形微帶輻射單元，其中寬為W,長為L；距離矩形微帶天線一邊緣配置一排短路針形成短路面，短路探針的數量為N、短路針半徑為Rz和短路針間距為D，最左邊第一顆定位短路釘位置為(Dx，Dy)；饋電探針半徑為Rt，距離下邊緣距離Ty。

2.2 參數設計和仿真優化

1)彈載遙測系統工作頻段在2 250 MHz，介質板選用介電常數εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介質材料。依據空腔模型法，對不加短路針標準微帶矩形天線進行計算。

矩形天線的非諧振邊的有效長度Le為：

(1)

式(1)中，f為工作頻率，c為光速，εr為介電常數。計算得到Le=41.24 mm。

2)基于多短路針加載短路面的原理，天線的尺寸大約可以減小一半以及天線基材尺寸約束，初步選定多短路針加載短路面的小型共形遙測天線輻射片的寬(W)為21 mm,長(L)為20.5 mm。

3)本文利用HFSS軟件優化短路針參數調整矩形微帶貼片天線的諧振頻率特性。依據空腔模型法，初步擬定饋電探針半徑Rt=0.2 mm，距離下邊緣距離Ty=4 mm，饋電探針位置參數(Tx，Ty)=(0 mm，4 mm)。需要確定的自由參數有：第一短路針位置(Dx，Dy)、短路探針的數量N、短路針半徑Rz和短路針間距D。

計算機優化過程均為約束優化，相關參數約束條件為：

短路探針的數量N：3≤N≤10；

短路針半徑Rz：0.2 mm≤Rz≤1 mm；

左邊第一顆定位短路針位置(Dx，Dy)：0.2 mm≤Dx≤4 mm，0.2 mm≤Dy≤3 mm；

短路針間距D：0.6 mm≤D≤(W-0.8 mm)；

短路陣列面尺寸：0.7 mm×W≤(N-1)×D≤(W-0.8 mm)。

利用HFSS軟件對所設計的天線模型進行了仿真分析，尺寸優化。優化后短路探針的數量N=9，微帶貼片尺寸參數W×L=21 mm×19.96 mm，短路針半徑Rz=0.28 mm，第一短路針位置(Dx，Dy)=(1.2 mm，0.8 mm)，短路針間距D=2.22 mm。

4)在保持微帶貼片尺寸參數W×L和短路探針參數(N、Rz、Dx、Dy、D)以及饋電探針半徑Rt不變的條件下，以饋線特性阻抗Z0為目標進行優化，得到最優阻抗特性的饋電探針位置參數(Tx，Ty)=(0 mm，3.1 mm),達到最優阻抗匹配，有效降低駐波比。

3 天線仿真及測試驗證

3.1 小型化共形短路遙測天線的仿真

對小型化共形短路遙測天線進行了建模與仿真設計，建立的天線單片模型如圖3。利用HFSS對天線進行建模與仿真優化參數后，得到天線電壓駐波比仿真圖，圖4為天線電壓駐波比仿真結果。由圖4所知，在中心頻率2 250 MHz處電壓駐波比為1.073；在(2 250±13)MHz 的頻率范圍內，電壓駐波比≤2。

圖3 小型化共形短路遙測天線單元仿真模型圖Fig.3 Compact conformal short circuit telemetry

圖4 天線的電壓駐波比(VSWR)仿真曲線Fig.4 Antenna VSWR simulation curve antenna simulation model

圖5為采用兩片共形短路遙測天線對稱配置在金屬錐臺兩側的仿真分析模型圖。圖6、圖7為共形遙測天線陣H面和E面三維方向圖仿真結果。從仿真的結果來看，該兩片共形短路遙測天線對稱陣在中心頻率f=2 250 MHz時，增益G=0.53 dBi，實現了天線的方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射等特點，滿足全彈道遙測的需求。

圖5 金屬錐臺兩側對稱配置的共形短路遙測天線陣模型圖Fig.5 Conformal short circuit telemetry antenna array simulation model

圖6 天線H面的仿真方向圖Fig.6 Simulation pattern of antenna H-plane

圖7 天線E面的仿真方向圖Fig.7 Simulation pattern of antenna E-plane

3.2 實驗室測試驗證

該小型化共形短路遙測天線在實驗室進行了測試驗證。圖8為共形短路遙測天線產品圖，圖9為天線電壓駐波比測試結果。由圖9可知在中心頻率2 250 MHz處電壓駐波比為1.176；在2 234～2 261 MHz的頻率范圍內，電壓駐波比≤2，研制的小型化共形短路遙測天線測試結果與設計基本吻合。

圖8 共形短路遙測天線產品圖Fig.8 Conformal short circuit telemetry antenna

圖9 天線的電壓駐波比(VSWR)測試曲線Fig.9 Curve of the measured standing wave antenna

3.3 外場試驗驗證

研制的工程天線樣機具有良好的全向輻射性能，滿足全彈道遙測的需求。該天線具有體積小、易加工安裝、方向圖穩定等特點。在外場試驗中，進行了以下驗證：

1)試驗樣機通過20 km拉距試驗測試天線通信性能，結果表明天線性能指標正常；

2)該天線產品在某高過載校射引信平臺應用，全彈道北斗衛星的位置、速度信息及時有效地傳回地面接收系統。

4 結論

本文提出了彈丸頭錐上小型化共形短路遙測天線及優化設計方法。該天線采用低介電常數柔性薄介質基底材料實現彈載共形，基于多短路針加載短路面的原理，逐步優化和確定了小型化共形短路遙測天線的各種參數，實現了天線的小型化。采用兩片共形短路遙測天線對稱配置形成的微帶天線陣方向圖具有在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射特點。該天線外形尺寸為寬21 mm,長20.5 mm，厚0.5 mm。仿真、測試與試驗表明，彈丸頭錐上小型化共形短路遙測天線體積小、易加工安裝、方向圖穩定且具有抗高過載能力。研究成果可應用于小尺寸平臺的遙測和彈道修正彈的彈載共形微帶天線陣設計。