一種寬帶低剖面彈載天線的設計與實現

張曉沖，曹江濤，邢光龍，謝 萍，李增科

(1.中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

近些年來，隨著現代化高科技戰爭對導彈性能要求的不斷提高，以及導彈應用環境的特殊性，對彈載天線提出了很多特殊的要求。為了減小天線形狀對導彈風阻的影響，應考慮彈載天線在高速飛行過程中的空氣動力學特性，同時還要保證其機械結構穩定性和耐高溫性，這就要求天線與彈體實現共形[1-4]。為適應由彈體機動帶來的天線指向變化，要求彈載天線的方向圖要寬波束覆蓋[5-6]。對于彈載天線，低剖面共形有利于對軍事裝備進行偽裝，可有效降低整個平臺雷達散射截面積(Radar Cross Section,RCS)，增加平臺機動性以及提高天線隱蔽性。

彈載低剖面天線在國內外均已經廣泛應用，天線形式及尺寸大小是多種多樣的，分析方法也不盡相同。天線輻射場常用的分析方法有：有限元方法與有限差分方法[7-9]、模式匹配法[10]、混合方法[11-12]、格林函數和矩量法[13]等。彈載天線常用的形式包括微帶天線、縫隙天線、螺旋天線、波導天線和振子天線等。設計時通常要考慮天線在彈體的安裝位置、尺寸和質量及與彈體共形等情況，從而選擇最優的天線形式。

文獻[14]研究并設計了一種微帶磁偶極子八木天線，將3個磁偶極子八木天線共形到彈體上，實現了較低的剖面，但其受到彈體影響，最大輻射方向在偏離軸向45°的方向，傾斜的輻射方向導致其在實際應用中具有較大的局限性。2015年，Ghaemi等人對二元疊層單極天線進行了深入研究，通過在大尺寸輻射單元內嵌套一部分小尺寸輻射單元，降低了天線剖面高度,實現了8.5倍頻阻抗帶寬且剖面高度為20.9 mm(0.046λ)，是一款剖面極低的天線[15]，具有較強的實用價值。文獻[16]通過在低剖面E形微帶天線中引入15分布式LC諧振電路，拓寬了天線的帶寬，使其很好地工作在AMPS頻段824～894 MHz，該天線剖面高度僅為0.344λ，但其帶寬僅9%，相對于寬帶天線，帶寬較窄。文獻[17]設計了一種裝在彈頭的印刷振子天線，通過振子向下傾斜來展寬波束，但其剖面較高，底盤尺寸較大，不便于安裝。文獻[18]通過在單極子頂部引入耦合加載板的方式設計了一種寬帶低剖面，可用于小金屬地的全向天線，但它整體體積較大，彈體安裝位置受限。文獻[19]采用微帶天線陣，把平面的微帶貼片共形貼到彈體表面，實現了任意姿態下的測控，但天線通過陣列排布比較困難，位置選擇較為苛刻，不穩定因素較多，可能會造成微帶線的斷裂，另外帶寬比較窄。

在高動態、復雜電磁環境下，彈載低剖面共形天線是實現高速飛行目標和地面控制臺信息交互的重要組成單元，其性能直接影響通信鏈路和無線控制的成敗。因此，低剖面寬帶天線的研究既有重要的理論意義，又有很高的工程應用價值。本文主要以工程應用為背景，采用了一種特殊饋電形式的印刷偶極子天線，并與天線罩共形的金屬結構壁進行耦合，形成了電感效應，既展寬了帶寬，又有效地降低了天線的剖面高度,解決了彈載天線剖面高度受限的技術問題。

1 天線整體設計和電氣指標

由于微帶天線帶寬較窄，振子天線剖面高度較高，波導天線尺寸太大，考慮到安裝位置、安裝尺寸及剖面高度等方面要求，選擇了印制偶極子天線，并且通過添加金屬耦合壁的方式來實現天線整體的最優性能。

天線整體由共形天線罩和天線體組成。天線整體的仿真模型如圖1所示。天線整體的剖面結構圖如圖2所示。天線體尺寸為55 mm×66 mm×17 mm(約0.22λmax×0.264λmax×0.068λmax)，天線罩采用2.5 mm厚的聚醚醚酮(PEEK)或者增強型的聚苯硫醚(PPS)材料，具有極為優良的強度、剛性、耐高溫和尺寸穩定性，同時還具有線膨脹系數小、吸水率低、成型收縮率小、耐腐蝕性好和阻燃性好等特點，可用于注射成型各種結構復雜的零部件。

圖1 天線整體仿真模型Fig.1 Overall simulation model of antenna

圖2 天線整體剖面結構Fig.2 Overall section structure of antenna

不含天線罩天線體仿真圖如圖3所示，天線體尺寸長L=66 mm，寬W=55 mm，高H1=17 mm。印制板采用FR-4玻璃鋼材料，介電常數εr=4.4，厚度為1 mm，印制板上的一對輻射振子總長度L1=60.7 mm，寬度W1=53 mm。印制板上表面距離底面的高度H=12.5 mm，饋電點距離中心位置Ly=13 mm。

圖3 不含天線罩天線體仿真Fig.3 Antenna body simulation without radome

印制板上層及下層有輻射片,2個輻射片形成一對偶極子，上層輻射片一端有延長的傳輸線，傳輸線上通過添加枝節來調節阻抗匹配，通過介質支撐塊來支撐印制板，從圖2和圖3可知，印刷偶極子天線與金屬耦合壁之間有一段間隙，間隙距離為3.6 mm，可適當調節間隙尺寸來調節匹配。金屬耦合壁頂部呈弧形，與天線罩內側緊緊相接，且與其共形。天線的極化方式為線極化。

為了驗證設計方案的正確性，加工了樣機，天線體(不含天線罩)俯視圖如圖4所示，側視圖如圖5所示。

圖4 天線體俯視Fig.4 Top view of antenna body

圖5 天線體側視Fig.5 Side view of antenna body

2 結果分析

在天線測試原理中，通過電壓駐波比(VSWR)來描述天線的阻抗特性。在天線樣機加工完成后，使用矢量網絡分析儀對加工好的實物進行測試，實測和仿真VSWR曲線對比如圖6所示。

由圖6可以看出，實測結果和仿真結果較為吻合，頻帶略微向低頻偏移了一些，這是由于實際中天線罩的影響所致。從實測結果可以看出，天線VSWR在2.0以下的頻帶在1.2～2.05 GHz，相對帶寬達到52.3%,天線在工作帶寬內具有良好的阻抗匹配特性。

圖6 實測和仿真VSWR曲線Fig.6 Simulated and measured VSWR of proposed antenna

由圖5可以看出，印制板上表面距離天線底部的距離H僅為12.5 mm，為低頻(1.2 GHz)的0.05個波長，即0.05λmax，考慮到耦合墻壁的高度H1=17 mm，天線體的剖面高度為0.068λmax。

VSWR隨H1變化曲線如圖7所示。

圖7 VSWR隨H1變化曲線Fig.7 VSWR varying with H1

由圖7可以看出，隨著耦合墻壁高度H1變大，VSWR曲線逐漸向低頻偏移，低頻端駐波逐漸得到改善，高頻端駐波會變差，隨耦合墻壁高度H1變大，天線體(不含天線罩)的剖面高度會變高，因此在實際中可選擇合適的H1值，使得在滿足工作帶寬的同時，盡可能低地降低剖面高度。

對于天線方向圖測試常采用的是場地遠場法，收發天線之間的測試距離滿足遠場測試距離條件，即：

式中，R為收發天線之間的距離；λ為工作波長；D為待測天線口徑(線天線為天線最大線尺寸)。

在滿足遠場測試條件的前提下，天線增益測試通常采用波束寬度法、比較法和方向圖積分法，本文采用了方向圖積分法來得到遠場方向圖及增益。

在工作頻帶內，選取了1.2，1.5，1.8，2.05 GHz四個頻點，通過仿真計算和實際測試得到了頻帶內這4個頻點的方向圖增益曲線圖，如圖8～圖11所示。

圖8 1.2 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實測方向圖Fig.8 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.2 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖9 1.5 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實測方向圖Fig.9 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.5 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖10 1.8 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實測方向圖Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.8 GHz(φ=0°and φ=90°)

圖11 2.05 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和實測方向圖Fig.11 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 2.05 GHz(φ=0°and φ=90°)

由圖8～圖11可以看出，天線輻射方向圖比較平滑，實測方向圖基本與仿真結果吻合，主波束變化趨勢與仿真結果基本一致，±60°內的方向圖變化趨勢大體保持一致，方向圖在±60°內的增益均大于0 dB，從而實現了寬波束覆蓋。方向圖副瓣的測試結果與仿真結果略有差別，原因是在實際測試中彈體影響因素比理想仿真條件下更為復雜，尤其是地面及天線周邊的環境對副瓣的影響是很大的，不可避免地會引入一些誤差。

3 結束語

本文設計并制作了一種寬帶低剖面彈載共形天線。測試結果表明，其性能指標符合設計預期，并與仿真分析結果相互印證。該天線的相對帶寬達到52.3%，工作頻帶范圍為1.20～2.05 GHz，天線體高度僅為17 mm(0.068λmax)，在整個帶寬內，方向圖保持穩定，且在水平面和方位面±60°內增益均大于0 dB。天線性能指標保證了彈體在運動過程中能夠穩定接收信號。該天線結構緊湊、剖面低、性能良好，同時還具有高機械可靠性、耐高溫、拆卸安裝方便和易于批量生產等特點，適用于彈載、機載、艦載及車載等多種平臺，天線結構簡單，設計靈活，具有良好的工程應用前景。