具有寬帶端射特性的彈載微帶陣列天線

馬文超,聶 榮,潘麗娜,李科連

(江西洪都航空工業集團有限責任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

近年來,隨著無線電技術在軍事裝備中迅速發展,天線作為通信、雷達、導航及定位等信息系統的終端越來越多的應用到導彈、火箭等飛行器中。隨著末端制導、彈道主動修正、導引頭及反輻射導彈等高科技信息化彈藥的發展,對彈載天線提出了越來越高的要求[1-3]。首先,為降低天線系統對平臺氣動性能的影響,一般要求天線與平臺要共形設計;其次,天線的最大輻射方向需朝彈頭或者彈尾方向,即要求天線具有良好的端向輻射特性;最后,為了提升系統信息傳輸速率及抗干擾能力,天線需滿足寬帶工作特性。因此,具有端射特性的彈載共形寬帶天線的研究是具有現實意義的。

傳統的寬頻帶端向輻射天線有以下三類典型結構：1) Yagi-Uda天線,通過增加激勵振子數目和寬帶饋電電路進行饋電可實現寬帶工作和端向輻射[4];2) 漸變槽線結構的Vivaldi天線、LTSA天線[5]等;3) 具有非頻變結構特性的對數周期天線、螺旋天線[6]等。這些天線均具有良好的端向輻射特性且工作帶寬較寬,但其結構尺寸較大,難以與彈體平臺共形設計,同時彈體為金屬載體對天線輻射及阻抗特性影響巨大。微帶天線具有低剖面結構緊湊的特點,易于彈體實現共形設計,但通常微帶天線的工作帶寬較窄。其他文獻中介紹了帶寬較寬的微帶天線形式[7-9],但這些天線的剖面變大,不適用于共形設計且不具有端射輻射特性。本文針對此問題,在基于圓形微帶貼片天線的基礎上,引入環形扇區結構的引向器,有效利用圓形貼片與引向器之間多模諧振模式展寬工作帶寬的同時,實現微帶陣列天線端射輻射模式。

1 基本概念

1.1 天線方向性和增益

天線的方向性即在給定方向上,天線輻射的功率密度U與全向天線輻射的平均功率密度的比值。平均功率密度為天線輻射的所有功率Prad與4π的比值。天線方向性系數與兩個正交面的波束寬度相關,相對關系如下：

(1)

式(1)中,D為天線方向性系數,θ1和θ2分別為兩個面的波束寬度。

天線增益G為天線方向性系數D乘以天線效率：

G=η·D。

(2)

1.2 天線帶寬

通常天線帶寬有兩種表示方法,一種稱為“相對帶寬”,其定義為：天線的絕對帶寬2Δf與工作頻帶內中心頻率fc之比,即：

(3)

式(3)中,fh和fl分別表示工作頻帶的上限頻率和下限頻率,fc為工作頻帶的中心頻率。天線帶寬又具體分為極化帶寬、阻抗帶寬、增益帶寬及方向圖帶寬等,通常情況,認為天線帶寬大于10%即為寬帶天線。

1.3 端射特性

端射的概念最初來源于一維長直陣列天線,是相對于“邊射”(或稱為“側射”)而定義的。顧名思義,指的是天線波束最大輻射方向指向陣列排布軸線的這種輻射特性。與一般邊射特性不同,陣列端射輻射特性的實現需要經過特殊干預,在陣列上形成一個沿排列軸線相位依次滯后的陣元能流分布,且滯后的相位值滿足一定條件。

2 寬帶端射共形微帶陣列天線

2.1 工作原理

天線的設計原理類似于帶有寄生貼片的傳統微帶天線,天線諧振頻率是設計的關鍵技術點。為了展寬天線工作頻段,需要設計產生多個相鄰的諧振頻率。

使用諧振腔模型分析計算圓形扇區貼片和環形扇區貼片的諧振頻率。由于電場的邊緣效應,假定圓形扇區和環形扇區的有效輻射半徑為Re,介質板材的有效介電常數為εe,扇區實際半徑R及介質板材現對介電常數εr的轉換關系為

(4)

(5)

圓形扇區激勵單元的諧振模式非常關鍵,不僅決定自身的電流分布還影響作為引向器的耦合環形扇區的諧振頻率。TM11模式下圓形貼片的徑向和周向都有較強的輻射電流,更便于耦合單元產生不同模式的諧振頻率,因此將激勵單元設計為TM11模式,其諧振頻率計算為

(6)

TM10徑向模式的諧振頻率和TM12周向模式的諧振頻率可通過下式計算而得

(7)

(8)

式中,c為光速,εe為等效介電常數,R1e、R2e及R3e分別為激勵單元、引向器1和引向器2的等效半徑。因此可見,可通過調節控制這些參數來調整天線產生的諧振頻率,當激勵單元于雙極引向器產生合適的耦合時,可以獲得較寬的工作帶寬。

2.2 天線設計

根據上述原理分析,不同于常規的矩形微帶貼片形式,將微帶天線的激勵單元設計為圓形扇區結構,將外加的雙極引向器設計為環形扇區結構。天線的結構和參數尺寸如圖1所示。

圖1 天線結構尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna structure dimensions

天線印刷在介電常數為2.55、厚度h為1.5 mm的介質基板上,介質板材外形為矩形結構,底部大面積金屬覆銅構成反射地板。可以采用單個或者多個環形扇區構成引向器,本設計兼顧天線外形尺寸和方向圖特性,使用兩個引向器。將饋電激勵單元D設計為圓形扇區貼片,半徑為R1,類似八木天線的有源陣子,外形為環形扇區的引向器D1置于激勵單元D一側,半徑寬度為R2,與激勵單元D之間的間隙寬度為W1;環形扇區的引向器D2置于引向器D1旁邊,半徑寬度為R3,與引向器D1之間的間隙寬度為W2。激勵單元D與引向器D1、D2為同心圓結構,具有相同的張開角度φ。可采用穿過介質基板的同軸結構對激勵單元D進行饋電。

天線具體尺寸為：L=93 mm,W1=0.54 mm,W2=0.9 mm,R1=25 mm,R2=23 mm,R3=20 mm,L1=22.8 mm,h=1.5 mm、φ=61.5°。

2.3 尺寸參數分析

通過電磁仿真軟件HFSS進行天線電性能特性仿真,研究共形寬帶微帶天線的諧振特性。仿真中對天線尺寸參數進行優化,調整天線尺寸參數得到天線諧振頻率的變化規律。

如圖2所示：隨著圓形扇區半徑R1的增加,諧振頻率隨之往低頻偏移;扇區的張角φ對第三個諧振頻率的影響明顯,隨著φ角度的減小而增加。間隙寬度W1也是調節阻抗匹配的關鍵參數,激勵單元D和引向器D1之間的間隙必須非常窄才能產生強耦合,如圖3所示,選擇適當的W1參數能夠獲得天線較寬的工作頻帶。

圖2 天線反射系數(S11)隨R1變化曲線Fig.2 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with R1

圖3 天線反射系數(S11)隨W1變化曲線Fig.3 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with W1

3 仿真驗證

在基于全波電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線仿真優化的基礎上,得到最終的天線設計參數。依據設計制作出天線實物,如圖4所示。

圖4 天線加工實物圖Fig.4 Picture of the antenna processing

天線駐波比測試和仿真對比結果如圖5所示,由于微帶介質板材介電常數有偏差的影響,天線駐波比結果有略微差異,但大體上基本保持一致,天線駐波比小于2的帶寬大于13.1%(由2.15～2.45 GHz)。天線增益的實測和仿真對比結果如圖6所示,天線實測增益大于9.2 dBi,基本達到仿真預期。通過對比天線實測增益和仿真方向性系數,得到天線輻射效率在工作頻率2.3 GHz處大于85.5%,主要的損耗來自微帶板材的介質損耗。圖7—圖9為天線在2.15、2.3、2.45 GHz處兩個面的方向圖實測結果,由圖可見天線實測方向圖特性與仿真結果非常吻合,方向圖對稱性良好,有較好的單向輻射特性。

圖5 天線反射系數仿真及測試對比結果Fig.5 Simulation and test results of antenna reflection coefficient

圖6 天線增益仿真及測試對比結果Fig.6 Simulation and test comparison results of antenna gain

圖7 天線2.15 GHz俯仰面方位面實測方向圖Fig.7 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.15 GHz

圖8 天線2.3 GHz俯仰面方位面實測方向圖Fig.8 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.3 GHz

圖9 天線2.45 GHz主極化與交叉極化實測方向圖Fig.9 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.45 GHz

4 結論

本文提出一種具有端射特性的新型彈載寬帶共形微帶陣列天線。該天線在圓形微帶貼片天線的基礎上,加入環形扇區結構的雙級引向器,利用引向器與激勵單元之間的耦合諧振,實現微帶天線寬帶工作的同時方向圖具有端向輻射的特性。該天線具備有微帶天線低剖面、結構緊湊的特性,易與彈載等搭載平臺實現共形設計。天線實測結果表明,該陣列天線能夠在2.15～2.45 GHz實現VSWR<2(相對帶寬為13.1%),天線增益大于9.2 dBi,輻射效率超過85.5%。該天線滿足彈載平臺天線寬帶化、共形化、端向輻射特性等功能要求。