彈丸頭錐上對稱配置的S波段微帶天線陣

付 強,曹少珺,余孝安,喬 飛

(西安機電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

伴隨著我國無線電通信系統小型化和無線電遙控遙測的發展,彈載天線與系統的一體化設計、彈載天線的抗高過載性能、小型化以及安裝工藝簡便可靠化在軍事上是一個重要的研究方向,其應用前景非常廣闊[1]。在飛行器運動載體通信平臺上,共形微帶天線是比較理想的通信天線之一。所謂共形微帶天線,是指附著于載體,完全與載體貼合的微帶天線[2]。傳統的微帶共形陣是把功分器與天線連接在一起,然后采用輸入阻抗為50Ω饋線進行饋電,設計出微帶共形陣。

目前,對于需要使用彈載天線的發射過載高的彈種,抗高過載的彈載天線一直是天線設計和彈載天線安裝的關鍵點[3]。但是,在彈道修正彈和遙測等應用平臺上的彈載天線的抗高過載安裝方法一直沒有很好的解決方案。這方面的研究者為解決抗高過載問題,在微帶共形陣背面涂抹導電膠并用特殊定制的夾具將天線與彈體固定,在高溫箱中烘烤2～3 h將天線固定在彈體上;這種安裝方法工藝復雜、操作不方便、效率低,而且很容易導致天線性能經過高溫發生改變,可控性低。

文中針對以前傳統的微帶共形陣在彈道修正彈和遙測等應用平臺上安裝困難及抗高過載的問題,研究了一種彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載S波段微帶天線陣。

1 傳統微帶共形陣在抗高過載中的問題

傳統的微帶共形陣,如圖1所示,是把功分器與天線單元設計為一體印制在一整張介質板上,然后采用輸入阻抗為50Ω饋線進行饋電,設計出微帶共形陣[4]。傳統微帶天線陣是通過背饋方式利用射頻電纜線與彈體內部的信號處理電路板的射頻輸入端連接,完成信號的傳輸。在安裝傳統微帶天線陣時,彈載微帶共形陣需纏繞緊貼錐體或圓柱體的整個側表面。傳統的微帶共形陣在彈道修正彈和遙測的應用中,纏繞錐體或圓柱體整個側表面的安裝方式一般有兩種:1)直接將天線介質板用螺釘或其他機械方式固定在彈體表面,因為介質板強度不高且這種天線面積一般比較大,所以這種安裝方式的微帶天線陣抗高過載能力弱、安裝效率低;2)通過在微帶共形陣背面涂抹導電膠的方式將天線固定在彈體表面,這種方式安裝效率低、成品率不高、天線安裝完成后,測試彈載天線性能不能滿足要求時無法更換天線,整套天線和彈體結構件均作廢。

傳統的微帶共形陣的安裝方式出現以上問題,主要是由于傳統的微帶共形陣尺寸比較大,在整個彈體側表面安裝時,微帶天線陣基板需要緊貼頭錐外表面且在天線基板變形的狀態下進行操作,天線基板和彈體進行配孔安裝時,彈體和天線基板的對應安裝定位孔的確定工序復雜,使得傳統微帶天線陣安裝時至少需要2人,導致安裝效率低且安裝不可靠,并且在旋轉離心力的條件下,天線可能會脫離彈體,導致天線損壞。

圖1 傳統的微帶共形陣形式(圓柱體或錐體)Fig.1 Conformal array of traditional microstrip(Cylinder or cone)

2 彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載微帶天線陣

為解決傳統微帶共形陣在彈道修正彈和遙測等應用平臺上安裝困難及抗高過載的問題,采用天線左右單元邊緣開槽的方法對矩形天線輻射單元小型化設計,設計出了彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載S波段微帶天線陣。該微帶天線陣采用天線單元與微帶功分器分離的形式,在不影響彈體氣動力的前提下對彈丸頭錐對稱銑削出對稱的小尺寸平臺用來安裝微帶天線單元,小型微帶天線陣安裝結構示意圖如圖2所示。微帶天線陣的兩個天線單元對稱安裝在彈丸頭錐上銑削出的小平面上,再由微帶功分器進行等幅同相饋電,其中微帶功分器放置在錐體內部,天線單元通過背饋方式與微帶功分器連接。

圖2 抗高過載小型微帶天線陣安裝結構示意圖Fig.2 High overload resistance to small microstrip antenna array mounting structure

天線單元抗高過載是天線陣抗高過載的關鍵。為此,提出了一種基于鋼片基底的小型微帶天線單元,基于鋼片底板的天線單元示意圖如圖3所示,天線基板為菱形而鋼片基底為相同寬和高的矩形。天線基板和鋼片基底的寬×高為23 mm×30 mm。天線單元背面的覆銅箔直接焊接到鋼片基底上。

圖3 基于鋼片底板的天線單元示意圖Fig.3 Steel plate on the antenna element

安裝時,首先將背饋電纜穿過引信頭錐的孔引入內部,將帶鋼片基底的天線單元用螺釘固定在彈丸頭錐上的小平面上,定位精度由鋼片上孔的公差保證。然后通過從后部拉出的電纜測試天線,如果天線指標不正常,可更換天線單元。測試結束后,量好長度,剪去多余電纜。此時從后向前看,電纜線頭正好對準微帶功分電路板的輸入節點,焊接即可。

3 仿真及測試驗證

3.1 仿真驗證

本文設計的微帶天線陣工作頻率為S波段,小型化微帶天線單元仿真模型如圖4所示;依據微帶基礎知識設計S波段微帶二功分電路如圖5所示;微帶天線陣駐波比系數仿真曲線如圖6所示;微帶天線陣E面和H面仿真方向圖如圖7所示。

圖4 小型化微帶天線單元仿真模型Fig.4 Compact microstrip antenna element simulation model

圖5 微帶二功分電路Fig.5 Microstrip two power sub-circuit

依據彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載微帶天線陣仿真設計,安裝了試驗樣機如圖8所示。利用anritsu37369c矢量網絡分析儀測量天線陣的駐波系數(VSWR)結果如圖9所示,通過對比與天線陣仿真駐波系數結果基本一致。

圖8 天線陣樣機Fig.8 Antenna array prototype

圖9 天線陣的實測駐波曲線Fig.9 Curve of the measured standing wave antenna array

在微波暗室對天線陣樣機進行了方向圖的E面,H面測試,實測E面方向圖如圖10、實測H面方向圖如圖11,通過對比與天線陣仿真方向圖基本一致。

通過仿真數據和天線陣實測數據對比,在天線陣的工作頻段(S波段)內天線方向圖、天線陣駐波系數性能良好,均能滿足設計指標。

圖10 天線陣的實測E面方向圖Fig.10 Measured E-plane antenna array pattern

圖11 天線陣的實測H面方向圖Fig.11 Measured H-plane antenna array pattern

3.2 安裝工藝對比

通過樣機實際安裝過程,與傳統微帶天線陣對比本文設計的S波段彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載微帶天線陣在安裝工藝上有如下優點:

1)安裝方便,天線易于更換

傳統微帶天線陣采用導電膠的方式時,在利用導電膠高溫加固過程中天線如有損壞或者后期天線測試如果性能不滿足,整套天線和彈體結構件均作廢;相比之下抗高過載微帶天線陣的天線單元焊接到鋼片基底時,如果天線焊接中出現損壞或者后期天線測試如果性能不滿足,天線基板作為一個單獨部件易于更換。

2)安裝工藝簡單、效率高

傳統微帶天線陣與頭錐進行共形安裝時,微帶天線陣的基板首先必須彎曲緊貼頭錐外表面,然后對基板和彈體進行配孔安裝,彈體和天線基板的對應安裝定位孔的確定工序復雜,由此傳統微帶天線陣的定位安裝工藝明顯復雜且廢品率高,整個過程至少需要兩人以上才能配合加工安裝,例如采用導電膠的方式,需要2到3人。一天的天線裝配量為16套;而基于鋼片基底的天線單元與頭錐“共形”安裝時,天線單元基板保持平面不變形的情況下與頭錐近似共形安裝,且只需要在考慮機械加工誤差的情況下就能確定天線基板和頭錐上銑削出的小平臺的對應安裝定位孔,通過實際操作抗高過載微帶天線陣安裝僅需一人一天就能安裝并且調試好40套。

3)微帶單片彈載天線尺寸小(天線單元不到5 cm2),便于安裝

如選擇傳統微帶共形陣,其尺寸約為60 mm×115 mm,尺寸遠遠大于抗高過載天線單元,傳統微帶共形陣尺寸大天線基板需要緊貼頭錐外表面且在天線基板變形的狀態下進行安裝,微帶單片彈載天線尺寸小天線基板平放于銑削出的小平面上安裝,顯然小尺寸微帶單片彈載天線更容易安裝。并且由于尺寸小,與頭錐近于共形,對氣動特性影響不大。

3.3 實驗室測量與試驗

對天線陣樣機進行了實驗室測量與試驗考核天線陣性能指標。

1)考核抗高過載性能

在例行試驗室,通過馬歇特錘擊實驗,試驗考核天線陣樣機通過抗過載超過20 000 g。另外,樣機通過空氣炮試驗考核。由此,能說明微帶天線陣具備有抗高過載能力。

2)S波段天線性能指標測試

利用矢量網絡分析儀測試天線陣樣機S波段的駐波比,測試結果如表1駐波比測試結果。

表1 駐波比測試結果Tab.1 VSWR test results

由表1可以看出微帶天線陣的在工作頻段內(2 425～2 470 MHz)均小于2。在微波暗室2.45 GHz頻點測得微帶天線陣的增益為3.1 d B。

3.4 外場試驗驗證

為準備外場試驗驗證,總裝調試40多套樣機產品。進行了以下試驗進行驗證:

1)試驗樣機通過20 km拉距試驗測試天線通信信能,結果表明天線性能指標正常;

2)所有樣機產品通過靶場炮射試驗驗證,通信成功率達到99%以上。

通過外場試驗驗證,對稱配置的抗高過載微帶天線陣性能指標優良。

4 結論

本文提出了彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載S波段微帶天線陣。該微帶天線陣采用天線單元與微帶功分器分離的形式,兩個天線單元介質基片貼在23 mm×30 mm的鋼片上,用螺釘固定在頭錐上銑削出的小平面上,在頭錐兩側對稱布置。微帶功分器放置在錐體內部,天線單元通過背饋方式與微帶功分器連接,進行等幅同相饋電。仿真、測試與試驗表明:S波段彈丸頭錐上對稱配置的抗高過載微帶天線陣性能指標優良、安裝工藝簡單且具有抗高過載能力。研究成果可應用于各種尺寸的遙測和彈道修正彈的彈載共形微帶天線陣設計。

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[3]吳琛,張敏,吳睿,等.彈載共形導引頭天線的仿真優化[C]//2009年全國天線年會論文集.成都 :中國電子學會天線分會,2009:1 428-1 433.

[4]鮑爾 I J.微帶天線[M].北京:電子工業出版社,1984.