具有全向波束高增益的引信共形陣列天線

樊朝宇,馬 捷,李維山,臧義平

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

微帶、偶極子天線結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn),在打擊地面目標(biāo)引信中得到廣泛的應(yīng)用[1]。引信天線區(qū)別于雷達(dá)天線的地方在于,引信鏈接彈的彈體,彈體等效于在引信天線后方加載了一個金屬反射面。金屬反射面的存在導(dǎo)致天線波束收窄,很難適應(yīng)寬落角的需求。

為了滿足中大口徑榴彈等寬落角的炸點(diǎn)控制要求,對引信天線設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[2]在微帶天線的基礎(chǔ)上采用不同的縫隙耦合形成了2種傾角的波束,實(shí)現(xiàn)了波束可控切換。文獻(xiàn)[3]提出了一種側(cè)向輻射的共形定向微帶天線,微帶天線采用倒方形貼片,在貼片上開方形槽并加入圓形寄生貼片。文獻(xiàn)[4]提出了一種彈載微帶準(zhǔn)八木天線陣,該天線的輻射方向圖為后向錐形波束,不能實(shí)現(xiàn)全向輻射。文獻(xiàn)[5]提出雙層介質(zhì)板開槽彈載寬頻帶GPS共形天線,拓展了天線工作帶寬。文獻(xiàn)[6]提出了超寬帶與彈頭共形微帶天線,采用輻射面寬度漸變處理、開窗以及接地面懸空等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計,改善抗匹配特性。文獻(xiàn)[7]提出了16元微帶天線單元由四級T型一分二功分器進(jìn)行并聯(lián)饋電,實(shí)現(xiàn)了天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計,但階數(shù)較多,體積較大,增益低。文獻(xiàn)[8]彈載寬帶圓極化四元陣的饋電網(wǎng)絡(luò)由一個寬帶反相器與兩個寬帶90°移相器級聯(lián)而成,天線體積增大,且不便于與彈體共形。文獻(xiàn)[9]采用串聯(lián)饋電將天線單元直接用傳輸線連接,提出兩款圓柱共形陣列天線,天線不圓度較差。文獻(xiàn)[10]采用印刷偶極子形式,與天線罩共形的金屬結(jié)構(gòu)壁進(jìn)行耦合,降低剖面高度,但增益低。上述天線實(shí)現(xiàn)的側(cè)向波束偏轉(zhuǎn)角度較小且增益較低,彈藥旋轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)引信對地的探測盲區(qū),不能滿足寬落角彈藥引信的探測范圍及距離要求。

根據(jù)對地彈藥引信寬落角探測地面目標(biāo)的需求,本文提出了一種產(chǎn)生全向波束高增益的共形陣列天線,可以有效增加引信側(cè)向探測的能力,產(chǎn)生大角度的側(cè)方全向波束,同時不存在探測盲區(qū),對于無線電引信提升探測范圍、提高炸點(diǎn)精度方面具有重要的意義。

1 共形陣列天線

共形陣列天線通過裝載在非平面的載體表面完成與載體的共形,常見的載體形狀有圓柱形、圓錐形以及球面等。研究平面陣列的時候,通?？梢灾谎芯刻炀€單元的分布方式以及饋電幅度和相位,就可以得出陣因子的輻射特性,因?yàn)橥ǔｊ嚵刑炀€單元的波束具有一定的寬度,所以只通過分析陣因子便可以得到天線陣列的輻射特性。在共形天線陣列的分析中,雖然無法獨(dú)立提取出一個陣因子進(jìn)行分析,但是為了便于分析,可以參考平面陣列的分析方法,假設(shè)所有天線單元均為全向輻射,也可以推導(dǎo)出環(huán)形陣列的輻射特點(diǎn)[11]。環(huán)形天線陣列如圖1所示。

圖1 N元圓環(huán)陣示意圖Fig.1 Schematic diagram of N-element circular array

N個天線單元均勻分布在半徑為r的圓上,整個圓面位于xOy平面,圓心位于直角坐標(biāo)系的原點(diǎn),其中天線陣列第n個陣元所在半徑與軸之間的夾角為φn=2π(n-1)/N,則圓環(huán)陣列中第n個陣元的空間位置矢量表示為Gn=(cosφn,sinφn,0)。可以得到環(huán)形天線陣列的方向圖函數(shù):

(1)

第n個陣元的加權(quán)系數(shù)為wn=ane-jβn,若要使天線陣列的波束指向?yàn)?θ,φ),則可以通過控制環(huán)形陣列中第n個單元加權(quán)系數(shù)中的βn:

βn=krsinθ0cos(φ0-φn)。

(2)

因?yàn)榄h(huán)形陣列全部位于xOy的平面上,所以θ=θ0=π/2,又因所有單元設(shè)定具有全向輻射特性,則fn(θ,φ)=1,最后化簡式(1)得到式(3)的環(huán)形陣列的方向圖函數(shù):

(3)

2 全向波束高增益共形陣列天線

本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示,由上下兩層陣列組成,上層為工作在K波段的5個偶極子天線陣列,下層為工作在Ka波段的4個微帶天線陣列,分別共形在圓錐臺表面;圓錐臺由相對介電常數(shù)εr=3.4,厚度h=0.254 mm柔韌可彎曲的介質(zhì)板構(gòu)成。

圖2 引信共形天線陣結(jié)構(gòu)Fig.2 Fuze conformal antenna array structure

2.1 偶極子天線陣

本文首先設(shè)計一款貼片偶極子天線,平面偶極子天線具有優(yōu)異的性能且易于實(shí)現(xiàn),當(dāng)偶極子臂長為半波偶極子(l=λ/2)時,是應(yīng)用最為廣泛的偶極子。通過計算優(yōu)化后,偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示;將偶極子天線共形在圓錐臺表面,結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。其天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 偶極子天線尺寸參數(shù)Tab.1 Dipole antenna size parameters

圖3 偶極子天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Dipole antenna structure

在20 GHz處偶極子天線共形前后輻射方向圖如圖4所示,可以看出將偶極子天線共形到圓錐臺表面上,其增益明顯下降,E面上的最大增益從3.3 dB下降至1.5 dB,且H面輻射方向圖嚴(yán)重畸變。

圖4 偶極子天線與共形偶極子天線在20 GHz時的輻射方向圖Fig.4 Radiation pattern of dipole antenna and conformal dipole antenna at 20 GHz

因此,考慮增加偶極子天線數(shù)量,來滿足H面全向探測需求。經(jīng)過仿真驗(yàn)證,采用5個偶極子陣列能實(shí)現(xiàn)最好的水平輻射能力。將5個相同的共形偶極子天線繞圓錐表面均勻等間距排列一周,每個單元之間沿圓錐臺軸線相鄰72°旋轉(zhuǎn)角,構(gòu)成共形偶極子天線陣列如圖5所示。

圖5 共形偶極子天線陣列Fig.5 Conformal dipole array antenna

給每個偶極子天線單獨(dú)饋電,觀察天線整體全向性能,得到共形偶極子陣列天線S參數(shù)如圖6所示,可以看出每個天線單元的輸入回波特性S11參數(shù)在19.5～20.5 GHz小于-10 dB,相對帶寬為5%;且5個端口之間隔離度良好。圖7顯示了天線在20 GHz的輻射方向圖,仿真結(jié)果表明所提出的共形偶極子陣列天線具有穩(wěn)定的側(cè)向輻射性能,H面輻射增益最大值為4.1 dB,與最小值差4 dB,方向圖圓度較好。

圖6 共形偶極子天線陣S參數(shù)Fig.6 S-parameters of conformal dipole array antenna

圖7 共形偶極子陣列天線輻射方向圖Fig.7 Radiation pattern of conformal dipole array antenna

2.2 微帶貼片天線陣

本文以矩形微帶貼片天線為研究基礎(chǔ),在已知介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)εr=3.4和厚度h=0.254 mm,可按下式計算計算出矩形微帶天線相關(guān)參量尺寸:

(4)

(5)

通過計算優(yōu)化后,微帶貼片天線結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示;微帶貼片天線共形在如圖8(b)所示的圓錐臺上。其天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 微帶貼片天線尺寸參數(shù)Tab.2 Microstrip antenna size parameters

圖8 微帶天線結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Microstrip antenna structure

在36 GHz處的輻射方向圖如圖9所示,可以看出微帶貼片天線共形在圓錐臺表面后輻射方向并沒有發(fā)生太大變化,但無法實(shí)現(xiàn)水平方向上的全向輻射。

圖9 微帶貼片天線與共形微帶貼片天線在36 GHz時的輻射方向圖Fig.9 Radiation pattern of microstrip patch antenna and conformal microstrip patch antenna at 36 GHz

因此,為實(shí)現(xiàn)水平方向上全向均勻輻射,經(jīng)仿真驗(yàn)證對比,以上述共形微帶貼片為基礎(chǔ)單元,將4個微帶貼片天線在圓環(huán)體表面均勻等間距分布,組成如圖10所示的共形陣列天線,水平方向上的輻射能力最強(qiáng)。

圖10 共形微帶貼片陣列天線Fig.10 Conformal microstrip patch array antenna

給每個矩形貼片天線單獨(dú)饋電,觀察天線整體全向性能,得到共形微帶陣列天線S參數(shù)如圖11所示,可以看出各天線單元中心頻率在36 GHz處良好匹配,回波損耗S11為-37 dB,天線的絕對帶寬范圍為34.5～37.2 GHz,相對帶寬為7.5%;且4個端口之間隔離度良好均小于-40 dB。圖12顯示了共形微帶貼片天線陣在36 GHz處的輻射方向圖,從H面方向圖可以看出全向輻射增益最大值為5.2 dB,與最小值差值為5 dB,增益波動較小,能量分布均勻。

圖11 共形微帶貼片天線陣S參數(shù)Fig.11 S-parameters of conformal microstrip patch antenna array

圖12 共形微帶貼片天線陣輻射方向圖Fig.12 Radiation pattern of conformal microstrip patch antenna array

3 仿真測試驗(yàn)證

在基于全波電磁仿真軟件HFSS對天線仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,加工出天線實(shí)物如圖13所示。

圖13 天線實(shí)物圖Fig.13 Antenna physical image

天線輸入回波損耗S11測試結(jié)構(gòu)如圖14所示,共形偶極子天線陣在20 GHz處諧振,S11在19.8～20.3 GHz小于-10 dB;共形微帶貼片天線陣在36 GHz處諧振,S11在35.6～36.5 GHz小于-10 dB,基本與仿真結(jié)果一致。圖15為天線在20 GHz與36 GHz處的實(shí)測方向圖,可以看出實(shí)測天線方向圖與仿真結(jié)果較為吻合,在H面實(shí)現(xiàn)了全向輻射。

圖14 天線S參數(shù)Fig.14 Antenna S parameters

圖15 天線實(shí)測方向圖Fig.15 Antenna measured directional pattern

4 結(jié)論

本文提出一種具有全向波束的引信共形陣列天線,并用偶極子、微帶陣列天線分別共形于圓錐臺表面上加以實(shí)現(xiàn)。完成側(cè)向、全向輻射特性的同時,兼具前向探測能力,適用于寬落角彈藥。該天線可以與引信風(fēng)帽共形,并可以隨風(fēng)帽的形狀而改變,不占用引信前端擁擠的空間。實(shí)測結(jié)果表明,該天線在H面具有全向輻射特性且增益較高,與仿真結(jié)果一致。