彈載圓極化微帶天線設計＊

常樹茂

（西安郵電學院，西安 710061）

0 引言

炮射彈載雷達系統是目前所研制的精確打擊武器系統之一。要使這種先進的武器系統能在全天候的戰場上都有較高的命中率，彈載雷達天線的極化應為圓極化。因為水滴對圓極化波的反射是反旋的，而雷達目標對入射的圓極化波產生的反射波是橢圓極化波，兩者具有相同的旋向。因此，圓極化波的抗雨霧能力比線極化波強得多。

圓極化波天線的結構多種多樣，但對于彈載雷達而言，所設計的天線在滿足電氣技術指標的條件下，還必須具有空間尺寸小，抗過載能力大。而微帶天線低剖面尺寸小；輻射面垂直彈軸放置抗過載強；也比較容易實現圓極化。所以文中選用微帶天線形式，給出了彈載圓極化微帶天線的設計公式、具體尺寸和最終仿真結果。這種設計結果經實踐證明是正確的和實用的。

1 天線設計理論

1.1 圓形微帶天線設計理論

微帶天線的形狀有很多種，最常用的是矩形、圓形、圓環形和三角形。因為彈體為圓形，所以彈載天線選擇圓形微帶天線較合適。設圓形微帶天線的貼片半徑為a，當h?λ0，貼片與接地板之間可看成是四周為磁壁，上下為電壁的諧振空腔。用模展開法求解空腔內場，得圓形微帶天線TMnm模的諧振頻率（GHz）為［1］：

式中a是計入邊緣效應后的等效半徑（cm），它與物理半徑a′的關系如下：

圓形微帶天線一般工作在TM11主模。對主模有：

工作在TM11模的諧振電阻為：

式中：ρ0是饋點到圓形微帶中心的徑向距離；Gr是圓形微帶天線的輻射電導。

由上式可知，隨著饋點移向圓形天線中心，輸入電阻不斷減小，直至為零。因此可選擇饋點徑向位置來獲得所需的輸入電阻值。

1.2 小型化微帶天線設計

由于彈體的空間有限，要使微帶天線能安裝到彈體上，且方向性較好，進一步縮小天線尺寸是需要的。小型化微帶天線結構設計方法很多［2－5］，但總體分為兩大類。一類是在天線中植入槽孔的方式縮小天線尺寸［6－7］。其基本原理是在主模電流的路徑上植入槽孔，使得等效電流長度變長，進而達到天線尺寸縮小。另一類是在天線中植入電阻或短路棒的方式縮小天線的尺寸。其基本原理是在主模電流的路徑上植入電阻或短路棒來改變金屬片上電場的零點位置。雖然后一類縮小的尺寸比前一類縮小的尺寸要多，但其遠場的交叉極化分量大，增益低。考慮天線增益、交叉極化分量及彈體天線允許的空間，本設計選擇在天線中植入槽孔的方式來縮小天線的尺寸。槽的位置如圖1所示。

圖1 微帶圓極化天線輻射片

1.3 圓極化微帶天線的實現

微帶天線實現圓極化波常用的方法是正交饋電和一點饋電。正交饋電需用饋電網絡，而饋電網絡自身占用空間，這對彈載天線不太適用。一點饋電無饋電網絡，饋電簡單且天線整體占用空間小，所以本設計選用一點饋電方式。

根據腔模理論，在圓形微帶天線上附加一簡并模分離單元ΔS＝S1＋S2（S1＝S2），如圖1所示。使簡并模分離單元的諧振頻率產生分離。工作頻率選在兩個簡并模分離單元諧振頻率之間。當簡并模分離單元大小選擇合適時，對工作頻率而言，一個模的等效阻抗相角超前45°，而一個模的等效阻抗相角滯后45°，從而形成圓極化波［8－10］。圓形圓極化微帶天線的簡并模分離單元的大小可按下式計算［11］：

式中：ΔS是簡并模分離單元的面積；S是輻射片的面積。

2 天線尺寸和仿真曲線

2.1 天線的具體尺寸

考慮到彈體天線的空間尺寸有限和工作頻帶要求，選擇天線介質基片的介電常數εr為5，厚度h為2mm。利用式（1）至式（3）可以計算出圓形天線半徑R約19.5mm。為實現圓極化波，增加簡并模分離單元。使用式（5）～ 式（6），計算出切角深度T約1.1mm。利用式（4），令R11＝50Ω，計算出饋點距圓盤中心的距離D約2.3mm。為了實現右旋圓極化，饋點位置和槽中心線成45°角。為了縮小天線尺寸，在圓形天線內以圓心為垂點，垂直開2條長L為18mm、寬W為1mm的槽。由于這些槽的存在，使饋點位置稍稍移向圓心［6］。根據經驗在天線內開這樣一些槽，尺寸大約能縮小約10%～20%。這里按15%縮短比，取R為16.6mm，饋點距圓盤中心距離D取2.1mm。考慮天線仿真精度和計算量，取彈體高度100mm。天線結構及坐標位置如圖2所示。

圖2 天線結構圖

2.2 天線仿真

設計所使用的天線尺寸有些是利用天線理論的近似公式計算所得，有些則是經驗預估，這樣設計的尺寸與實際工程要求是有較大的誤差。根據彈體實物，利用仿真軟件反復調試，最終得到滿足給定指標的天線。Ansoft公司的HFSS三維電磁結構仿真軟件是一個仿真精度很高的軟件。只要考慮的仿真結構尺寸和實際工作的結構尺寸很一致、基板材料的介電常數很一致。由經驗知，仿真結果和實測結果基本吻合。

使用HFSS仿真軟件進行仿真。經過對天線各個參數的多次調整和優化，最終設計出的天線尺寸為：輻射面半徑R為16mm，開槽寬度W為1mm，開槽長度L為16.8mm，切角深度T為0.95mm，饋點距中心距離D為1.9mm。

2.3 仿真曲線

圖3是XOZ面右旋圓極化方向圖；圖4是YOZ面右旋圓極化方向圖；由圖看出半功率波瓣寬度超過100°，天線增益達到4.7dBi。

圖3 彈載天線XOZ面方向圖

圖4 彈載天線YOZ面方向圖

圖5是極化軸比圖，天線正前方的極化軸比是1.06dB，在±60°的天線方向掃瞄空間內，天線極化軸比小于3.3dB。

圖5 彈載天線極化軸比圖

圖6是天線輸入端的史密斯圓圖。圖7是天線輸入端的電壓駐波比圖。駐波比小于1.5的頻帶寬度大于1.8%。駐波比小于2的頻帶寬度大于2.5%。

圖6 彈載天線輸入端的史密斯圓圖

圖7 彈載天線電壓駐波比

3 結論

文中設計的彈載圓極化微帶天線，在0°方向上極化軸比是1.06dB，在±60°的天線方向掃瞄空間內，極化軸比小于3.3dB，說明天線圓極化效果好。天線方向圖后向輻射小，前向輻射的半功率波瓣寬度超過100°，天線增益達到4.7dBi。這樣的輻射方向圖優于總體給定的天線指標。微帶天線的工作帶寬主要由天線輸入端的電壓駐波比決定。由天線電壓駐波比圖知，天線駐波比小于2的頻帶寬度大于2.5%。這個頻帶寬度滿足給定天線的技術指標。

根據仿真設計加工的天線由于基板材料的實際介電常數值和標稱的介電常數值稍微有差異，實際產品的測試和調試是需要的。經改進后的天線滿足技術指標要求，已應用到產品之中。

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