全金屬定向?qū)挷ㄊ鳯波段干擾機(jī)天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

陳沛林,蔚保國(guó),鄭曉冬,付 野,郝青茹

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081;2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050081)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)揮著極大的作用,為武器平臺(tái)和系統(tǒng)提供定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。然而,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)又是非常微弱的,如GPS信號(hào)的最大接收功率不會(huì)超過(guò)-150 dBW,其各頻點(diǎn)接收功率一般在-162～-150 dBW[1],很容易受到干擾。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾和抗干擾系統(tǒng)成為全球各國(guó)爭(zhēng)相研究的目標(biāo)[2-5]。從俄烏沖突的現(xiàn)狀來(lái)看,各類(lèi)無(wú)人平臺(tái)的作戰(zhàn)能力突顯,衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾終端成為標(biāo)準(zhǔn)配置。要對(duì)這類(lèi)無(wú)人平臺(tái)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成有效反制,針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的干擾機(jī)及天線(xiàn)自然成了研究重點(diǎn)[6-8]。

對(duì)于干擾天線(xiàn)特別是導(dǎo)航干擾天線(xiàn)的研究,主要關(guān)注天線(xiàn)頻段、增益、覆蓋范圍以及功率耐受度的提高。WU等[9]通過(guò)加載饋電圓盤(pán),設(shè)計(jì)了一種帶有寄生條帶的高增益寬帶圓極化天線(xiàn),這種天線(xiàn)體積小、質(zhì)量輕,但受到功率容量限制,僅適用于小功率欺騙干擾。謝飛等[10]提出了一種寬帶八木天線(xiàn),針對(duì)導(dǎo)航對(duì)抗,該天線(xiàn)采用雙頻雙饋方式,實(shí)現(xiàn)了高增益、質(zhì)量輕和小型化,但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,覆蓋帶寬相對(duì)較窄。張盛華等[11]為了滿(mǎn)足天線(xiàn)指標(biāo)、保證加工精度、提升功率容量,研究并提出了波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)措施,然而加工制備難度較大、成本較高。另外,干擾天線(xiàn)設(shè)計(jì)還需要考慮工作模式與干擾信號(hào)極化方式的匹配[12],并應(yīng)用天線(xiàn)陣列提升輻射功率[13-14]。

單極子天線(xiàn)是一種經(jīng)典的天線(xiàn)類(lèi)型,具有很寬的頻帶,如果用于干擾機(jī),具有覆蓋多個(gè)導(dǎo)航頻段的優(yōu)勢(shì),有許多學(xué)者研究寬頻帶的頂端加載單極子天線(xiàn)。NAKANO等[15]使用一個(gè)曲線(xiàn)單錐體和短路寄生環(huán),達(dá)到了147%帶寬。SHEN等[16]通過(guò)單錐形天線(xiàn)和錐形底板相互配合,在7～12 GHz實(shí)現(xiàn)全向輻射。在后續(xù)工作中,NGUYEN-TRONG等[17]改進(jìn)了結(jié)構(gòu)和地板形狀的連續(xù)設(shè)計(jì),擴(kuò)展了全向輻射天線(xiàn)的帶寬。這些天線(xiàn)都具有較寬的頻帶和很好的全向輻射特性。

綜上所述,目前關(guān)于導(dǎo)航頻段干擾天線(xiàn)的設(shè)計(jì)研究大多難以兼顧功率容量、帶寬、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和輻射方向。本文針對(duì)此問(wèn)題,分析歸納地面導(dǎo)航干擾機(jī)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)思路和需求,提出加載背板以及頂端折疊的全金屬單極子天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu),并通過(guò)高頻電磁場(chǎng)有限元仿真實(shí)驗(yàn)分析天線(xiàn)各結(jié)構(gòu)調(diào)諧參數(shù)對(duì)S參數(shù)的影響來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)天線(xiàn)的小型化、寬頻段、高增益、寬角度覆蓋以及高功率耐受度。

1 半全向干擾機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

干擾機(jī)天線(xiàn)作為干擾機(jī)非常重要的組成部分,其性能直接影響到干擾的范圍和效果。為對(duì)抗抗干擾天線(xiàn),干擾機(jī)天線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足特殊要求[18-20]:1)要有明確的輻射范圍。比如從地面干擾無(wú)人機(jī)時(shí),為了達(dá)到較大的覆蓋范圍,就需要天線(xiàn)向天線(xiàn)法向正仰角輻射,同時(shí)波束盡可能展寬。2)帶寬范圍要足夠?qū)挕榱四軌驊?yīng)對(duì)多個(gè)頻段組合干擾的播發(fā),針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航,需覆蓋1.1～1.7 GHz多個(gè)頻點(diǎn)。3)要極化匹配。天線(xiàn)設(shè)計(jì)要采用與干擾機(jī)輻射工作模式匹配的極化方式。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用右旋圓極化的天對(duì)地輻射天線(xiàn)。對(duì)于機(jī)載干擾機(jī),要實(shí)現(xiàn)高效率的干擾,干擾天線(xiàn)應(yīng)當(dāng)采用右旋圓極化。而對(duì)于地面或者車(chē)載干擾機(jī),宜采用垂直極化,同樣可以達(dá)到良好的干擾效果。這樣設(shè)計(jì)的好處除了有利于干擾信號(hào)遠(yuǎn)距離傳播外,還能夠適應(yīng)機(jī)載導(dǎo)航天線(xiàn)低仰角的軸比惡化,以及機(jī)體遮擋、反射產(chǎn)生的復(fù)雜電磁環(huán)境。4)要耐高溫。為了達(dá)到較好的干擾效能,一般干擾機(jī)的功率比較大,必須考慮材料的耐受度,這是可靠性的必然要求,因此很多干擾機(jī)天線(xiàn)使用純金屬結(jié)構(gòu)加工。5)要陣列化。隨著干擾源功率不斷提高,單天線(xiàn)難以滿(mǎn)足對(duì)平均發(fā)射功率的更高要求;同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)一定程度的波束指向,應(yīng)用陣列天線(xiàn)提升功率是很有必要的?？傊?人們總是希望在有限功率的前提下,達(dá)到最優(yōu)的干擾效果或者功率密度分布,這就要求天線(xiàn)的方向圖與應(yīng)用場(chǎng)景高度匹配。

根據(jù)上述分析,地面干擾機(jī)天線(xiàn)應(yīng)該具有高增益和寬角度覆蓋的方向圖特征。針對(duì)這樣的技術(shù)要求,需要設(shè)計(jì)一種具有單向和扁平的方向圖天線(xiàn),且具有高功率耐受度。

高功率耐受度一般采用全金屬結(jié)構(gòu),而單極子天線(xiàn)則具有全向的方向圖。設(shè)計(jì)金屬背板加載的單極子天線(xiàn)可以使天線(xiàn)滿(mǎn)足半空間全向的功率覆蓋。但這種加載背板會(huì)對(duì)天線(xiàn)的駐波產(chǎn)生極大的影響,并且反射波和輻射波疊加會(huì)產(chǎn)生方向圖畸變。因此,本文對(duì)單極子天線(xiàn)的頂端加載進(jìn)行折疊,不但增加了帶寬,還使得反射波和輻射波疊加方向圖得到了優(yōu)化。另外,普通單極子天線(xiàn)在俯仰角上半波功率角度較大,因此對(duì)俯仰角上的天線(xiàn)排布采取了陣列的設(shè)計(jì)方法,排成了1×4的陣列,減小波束寬度的同時(shí),提升了天線(xiàn)增益。

1.2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及其工作原理

干擾機(jī)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)主要考慮高功率耐受度和定向波束寬角度覆蓋,這樣可以對(duì)敵方的導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生最佳的干擾效果。微帶天線(xiàn)是一種典型的單向輻射天線(xiàn),但微帶天線(xiàn)有其天然的缺點(diǎn):首先,天線(xiàn)的帶寬較窄,很難覆蓋多個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航頻段;其次,微帶天線(xiàn)有介質(zhì)加載,耐高溫能力有限。而全金屬的單極子結(jié)構(gòu)天線(xiàn)不包含介質(zhì)結(jié)構(gòu),同時(shí)頻帶較寬,因此本文選擇其作為干擾機(jī)天線(xiàn)單元基本模型。天線(xiàn)陣列由1×4天線(xiàn)單元構(gòu)成,圖1是全金屬干擾機(jī)天線(xiàn)單元模型示意圖,天線(xiàn)單元的尺寸如圖中標(biāo)注所示。

圖1 全金屬干擾機(jī)天線(xiàn)單元模型示意圖Fig.1 Unit diagram of all-metal jammer antenna model

圖1 a)是天線(xiàn)的側(cè)視圖,從圖中可以看出天線(xiàn)是頂端加載的單極子結(jié)構(gòu)。天線(xiàn)由下端的饋電點(diǎn)向上部進(jìn)行饋電,饋電方式采用同軸結(jié)構(gòu),同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體與地板相連接,而內(nèi)導(dǎo)體則與頂端加載部分相連接。頂端加載部分單獨(dú)設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是保持工作帶寬的同時(shí),還要能夠?qū)崿F(xiàn)加載背板后的單向輻射。從側(cè)邊看天線(xiàn)是矩形結(jié)構(gòu),相較于常規(guī)單極子天線(xiàn),該結(jié)構(gòu)可以降低單極子天線(xiàn)的剖面高度,并增加天線(xiàn)帶寬。

圖1 b)是天線(xiàn)的頂視圖,從圖中可以看到,天線(xiàn)是折線(xiàn)形結(jié)構(gòu)。該折線(xiàn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于平板結(jié)構(gòu)天線(xiàn)的設(shè)計(jì),可以降低反射背板對(duì)天線(xiàn)阻抗和場(chǎng)的影響。眾所周知,單極子天線(xiàn)的輻射方向是全向的,而干擾機(jī)主要是對(duì)定向目標(biāo)的輻射,同時(shí)盡可能減少對(duì)己方的輻射影響,因此需考慮將單極子天線(xiàn)振源向單向化改進(jìn)。單極子天線(xiàn)增加側(cè)面背板可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的單向化集中(如圖1 c)所示),但對(duì)原有的場(chǎng)影響很大,因?yàn)榉瓷浒宓溺R像場(chǎng)跟原有的場(chǎng)會(huì)形成疊加,而疊加后的場(chǎng)有可能對(duì)原有的場(chǎng)產(chǎn)生不利影響,同時(shí)影響阻抗匹配。采用折線(xiàn)形平板結(jié)構(gòu)可以增加諧振頻點(diǎn),進(jìn)而拓展天線(xiàn)的帶寬,同時(shí)優(yōu)化天線(xiàn)尺寸和間距,使得天線(xiàn)的增益得到增加。

圖2是四陣元線(xiàn)形排布的天線(xiàn)陣列示意圖。該陣列主要是擴(kuò)大俯仰角方向的尺寸,進(jìn)而壓扁俯仰角方向圖,使天線(xiàn)的增益和功率耐受度同時(shí)得到提高。這樣,天線(xiàn)在方位角方向具有寬大的覆蓋范圍,而且由于俯仰角方向波束較窄,天線(xiàn)陣列可以保持較高的增益。

圖2 四陣元線(xiàn)形排布的天線(xiàn)陣列示意圖Fig.2 Linear array of four elements diagram

2 天線(xiàn)仿真優(yōu)化分析

采用Ansys HFSS仿真軟件,對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)陣列進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模,并進(jìn)行有限元仿真分析。通過(guò)觀察不同參數(shù)下天線(xiàn)輸入端的反射系數(shù)S11曲線(xiàn)以及天線(xiàn)方向圖,對(duì)天線(xiàn)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整分析。

2.1 S11與饋線(xiàn)高度的關(guān)系

討論模型中單極子天線(xiàn)饋線(xiàn)高度h對(duì)S11的影響。其他參數(shù)保持不變,設(shè)h的初始高度為3.0 mm。當(dāng)h分別取值2.5,3.0,3.5 mm時(shí),進(jìn)行參數(shù)掃描分析,計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?諧振頻率為0.87 GHz,當(dāng)h越大時(shí),S11越低,當(dāng)h=3.5 mm時(shí),S11可達(dá)-40 dB以下;而當(dāng)h減小到2.5 mm時(shí),S11在1.44 GHz出現(xiàn)了諧振點(diǎn),此時(shí)S11=-24 dB。

圖3 反射系數(shù)S11與饋線(xiàn)高度h的關(guān)系Fig.3 Relationship between h and S11

2.2 S11與單極子天線(xiàn)高度的關(guān)系

討論模型中單極子天線(xiàn)高度L對(duì)S11的影響。其他參數(shù)保持不變,L的初始高度設(shè)為55.0 mm。當(dāng)L分別為54.5,55.0,55.5 mm時(shí),進(jìn)行參數(shù)掃描分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可看到,當(dāng)L變化時(shí),S11不會(huì)線(xiàn)性變化,以55.0 mm為起始點(diǎn),當(dāng)L減小時(shí),會(huì)使S11略微降低,但不明顯;當(dāng)L增加時(shí),S11會(huì)明顯降低。由圖4可得,L=55.5 mm時(shí),諧振頻率為0.87 GHz,且S11最低,接近-35 dB。

圖4 反射系數(shù)S11與天線(xiàn)高度L的關(guān)系Fig.4 Relationship between L and S11

2.3 S11與單極子天線(xiàn)折臂寬度的關(guān)系

討論模型中單極子天線(xiàn)折臂寬度W1對(duì)S11的影響。其他參數(shù)保持不變,W1的初始高度設(shè)為13.0 mm。當(dāng)W1分別為12.5,13.0,13.5 mm時(shí),進(jìn)行參數(shù)掃描分析,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看到,當(dāng)W1增大時(shí),曲線(xiàn)基本沒(méi)有變化,當(dāng)W1減小時(shí),S11降低,當(dāng)W1=12.5 mm時(shí),S11達(dá)到最低,低于-30 dB。

圖5 反射系數(shù)S11與天線(xiàn)折臂寬度W1的關(guān)系Fig.5 Relationship between W1 and S11

2.4 S11與單極子天線(xiàn)寬度的關(guān)系

討論模型中單極子天線(xiàn)寬度W2對(duì)S11的影響。其他參數(shù)保持不變,W2的初始寬度設(shè)為30.0 mm。當(dāng)W2分別為29.5,30.0,30.5 mm時(shí),進(jìn)行參數(shù)掃描分析,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到,當(dāng)W2越大時(shí),S11越低;當(dāng)W2減小時(shí),諧振頻率有向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖6 反射系數(shù)S11與天線(xiàn)寬度W2之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between W2 and S11

綜上,通過(guò)對(duì)h,L,W1,W2分別進(jìn)行參數(shù)掃描分析可知,當(dāng)h減小到2.5 mm,反射系數(shù)S11的曲線(xiàn)在1.4 GHz附近出現(xiàn)一個(gè)新的諧振頻率,這個(gè)諧振點(diǎn)拓寬了天線(xiàn)在導(dǎo)航頻段的頻譜響應(yīng),可以提升天線(xiàn)在該頻段的增益,從而提升干擾機(jī)的工作效率;而對(duì)于L,W1,W23個(gè)參數(shù)而言,天線(xiàn)工作帶寬均存在最優(yōu)值,最終可以作為模型的參數(shù)。因此,可得到優(yōu)化后的天線(xiàn)尺寸為h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。

2.5 優(yōu)化參數(shù)下的天線(xiàn)仿真分析

優(yōu)化參數(shù)下的天線(xiàn)S11仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到,天線(xiàn)阻抗帶寬覆蓋范圍為0.79～2.04 GHz,這個(gè)帶寬覆蓋了L波段中各導(dǎo)航頻點(diǎn),大大超過(guò)了普通微帶天線(xiàn)的帶寬。

圖7 天線(xiàn)陣列S11曲線(xiàn)圖Fig.7 Antenna array S11 diagram

圖8為天線(xiàn)陣列的三維方向圖。天線(xiàn)陣列整體增益達(dá)到9.4 dB,具有前向、扁平的輻射方向。圖9是天線(xiàn)陣列二維方向圖,與圖8比較后可以看出,天線(xiàn)陣列在H面有158°的波束寬度,而在E面則有26°的波束寬度。從方向圖可以看出,該天線(xiàn)陣列方位波束寬度遠(yuǎn)大于俯仰波束寬度,適合寬方位角度的干擾波束覆蓋。

圖8 天線(xiàn)陣列三維方向圖Fig.8 Antenna array 3D directional diagram

圖9 天線(xiàn)陣列二維方向圖Fig.9 Antenna array 2D directional diagram

相較于文獻(xiàn)[10]等所提的傳統(tǒng)八木天線(xiàn),本文提出的天線(xiàn)帶寬覆蓋范圍大大增加,在L波段達(dá)到1.25 GHz的帶寬覆蓋范圍。同時(shí),相較于傳統(tǒng)的微帶陣列天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)方式,本文提出的全金屬單極子陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本更為低廉,功率容量更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)地面分布式導(dǎo)航干擾天線(xiàn)的高功率耐受度、寬頻段、寬角度覆蓋,本文設(shè)計(jì)了一種基于單極子天線(xiàn)的天線(xiàn)陣列。主要研究結(jié)論如下。

1)采用頂端加載金屬片結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行折疊,然后加載金屬背板進(jìn)行單向輻射增強(qiáng),形成1×4線(xiàn)形排列的單極子垂直極化天線(xiàn)陣列,可以實(shí)現(xiàn)寬頻段、寬方位角度的定向集中輻射,對(duì)運(yùn)動(dòng)載體形成有效波束覆蓋。

2)優(yōu)化后的天線(xiàn)尺寸為h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。在該尺寸下,天線(xiàn)陣列帶寬為0.79～2.04 GHz,最大增益達(dá)到9.4 dB,H面波束寬度為158°,E面波束寬度為26°。

3)相較于傳統(tǒng)微帶陣列天線(xiàn),設(shè)計(jì)的全金屬定向?qū)挷ㄊ鳯波段干擾機(jī)天線(xiàn)陣列不僅具備較大的功率容量,同時(shí)也具備較為簡(jiǎn)單的小型化結(jié)構(gòu)形式。

本文提出的全金屬結(jié)構(gòu)、小型化的天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì),適用于針對(duì)低慢小無(wú)人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航終端的地面干擾設(shè)備,可為相關(guān)天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供參考。但由于天線(xiàn)工作頻段僅局限于導(dǎo)航干擾頻段,未兼顧空中目標(biāo)的其他業(yè)務(wù)頻段,未來(lái)可進(jìn)一步通過(guò)調(diào)諧單元及陣列結(jié)構(gòu)尺寸,組合、擴(kuò)展工作頻段及帶寬,實(shí)現(xiàn)低慢小無(wú)人機(jī)的測(cè)控、圖傳和導(dǎo)航頻段的一體化干擾天線(xiàn)設(shè)計(jì)。