一種彈載寬帶圓極化天線陣設計

張 彬 ，許家棟 ，付 鵬 ，周 沖 ，石 帥

（1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安710129；2.西北工業大學 航空學院，陜西 西安710072）

隨著電子對抗技術的發展，天線已經越來越多地被裝載在火箭、導彈等載體上。對于彈載天線而言，由于導彈在飛行過程中的姿態是變化的，為了能有效接收或發射電磁能量，彈載天線最好具有圓極化特性。圓極化天線能接收到任意方向的線極化波，且有較強的抗雨霧干擾能力[1]，在無線通信領域有著廣泛的應用。

彈載天線必須具備體積小、重量輕、機械強度好、易于共形且不影響載體的氣動性能等特點。常用的彈載天線包括振子天線、縫隙天線、螺旋天線、波導天線、微帶天線等[2]。設計時具體選用哪一種天線形式，要綜合考慮天線的尺寸、電特性、安裝位置、能否與載體共形等因素。文獻[3]提出了一種與導彈橫截面共形的圓極化微帶天線，通過開槽、簡并模分離等技術實現了小型化和圓極化，主輻射方向指向導彈正前方，但這種結構的天線只適合裝載在彈體頭部位置。很多時候需要把天線裝載在彈體側面。文獻[4]設計了一種安裝在彈體側面的微帶螺旋天線，主輻射方向垂直于彈體軸線，但不易與載體共形。文獻[5]設計了一個高增益的彈載平面八木天線，由于采用了16個引向器，使得天線尺寸很大，不便于安裝。

為了設計出尺寸小、能裝載在彈體側面、主輻射方向指向導彈正前方且易與載體共形的彈載天線，本文對文獻[5]的八木天線作了改進。利用鏡像原理使得天線尺寸減小一半，對天線結構進行優化，解決了饋電問題，并以此為陣元，采用文獻[6]介紹的順序旋轉布陣法，通過控制天線單元饋電端口的相位，設計了一個具有寬帶圓極化特性的印刷八木天線陣。

1 天線陣結構設計

印刷八木天線陣結構如圖1(a)所示。該陣列由4個印刷八木天線單元組成，安裝在彈尾四周。印刷八木天線單元的極化方向與振子方向一致，輻射線極化波。一個圓極化波可以分解成兩個在空間和時間上均正交的等幅線極化波，因此，要實現圓極化特性，只需產生兩個在空間上正交的線極化電場分量并使二者振幅相等且相位差為90°。在本文的設計中，為了不破壞導彈的氣動性能和保證方向圖的對稱性，采用旋轉對稱的4元陣結構，并通過控制天線饋電端口的相對相位，使之依次為 0°、90°、180°和 270°，實現圓極化。 饋電網絡由一個寬帶反相器與兩個寬帶90°移相器級聯而成，其原理圖如圖1(b)所示。

圖1 印刷八木天線陣Fig.1 Printed Yagi antenna array

2 印刷八木天線單元設計

采用印刷八木天線作為基本單元，是因為該天線結構簡單，可以裝載在彈體側面，易于與導彈尾翼共形，且為端射天線。其結構如圖1(c)所示。該種天線于1928年首次被提出[7]，結構上具有對稱性。根據鏡像原理可知，圖1(c)所示兩個印刷八木天線的在右半空間產生的輻射場是相等的。本文用鋁管模擬導彈殼體，由于鋁管直徑相對于天線介質基板厚度很大，可用來代替無限大接地導體。從而，所需設計的印刷八木天線為原天線結構的一半，如圖1(d)所示。可見，該天線單元由有源振子、引向器、反射器、介質板、鏡像地等幾個部分組成。引向器和反向器的作用是將有源振子的能量引到主輻射方向上去。由于引向器和反射器很難焊接到鋁管上，為了保證鏡像的完整，我們在鋁管（導彈）上開槽，天線通過槽與緊貼在鋁管內壁的鏡像地（銅片）焊接到一起。天線用SMA接頭直接饋電，接頭的外導體與鏡像地連接，內導體穿過鏡像地上的通孔與有源振子連接。

用鋁管模擬導彈，導彈長度H=210 mm，外徑D=80 mm，壁厚為2 mm。采用介電常數εr為4.4的普通FR-4板材，厚度為1 mm。應用電磁仿真軟件HFSS13.0建立天線模型，對其各個參數進行優化，得到一組最佳尺寸，如表1所示。基于以上軟件仿真結果，制作了天線實物并對其性能進行了測量，實物如圖2所示。印刷八木天線陣的4個饋電端口與饋電網絡的4個輸出端口之間通過4根等相位（同軸）線相連。

圖2 天線陣實物圖Fig.2 Photo of the fabricated antenna

表1 天線尺寸（單位：mm)Tab.1 Size of the antenna mm

3 仿真與實測結果分析

圖3(a)為天線陣的回波損耗S11曲線。天線的S11小于-10 dB的頻段覆蓋了整個X波段，相對帶寬達40%以上，實際測量結果與仿真結果吻合較好。圖3(b)為天線陣的增益曲線。在8～12 GHz頻段內，仿真增益在4～6 dB之間，測試增益在4.5 dB上下波動，整體上比仿真結果要小。圖3(c)為主輻射方向上的軸比隨頻率的變化。由于天線結構對稱，仿真軸比在整個X波段內都很小，約為0.2dB，呈現很好的圓極化特性。測試軸比曲線波動較大，在8.3～8.7 GHz頻段內為大于3 dB，在X波段其余頻帶內都小于3 dB。圖3(d)為10 GHz處主平面內的極化軸比。由該圖可知，在主平面的不同角度內，軸比不相同。在主瓣范圍內，測試結果與仿真結果相一致。在Theta=0°的主輻射方向，軸比為0.8 dB。在偏離主輻射方向±4°的掃描角范圍內，軸比小于3 dB，滿足圓極化設計要求。

圖3 天線陣回波損耗、增益和軸比的仿真與測試結果Fig.3 Simulated and measured return loss,gain and axial ratio of the antenna array

圖 4(a)、(b)和(c)為天線陣在 8 GHz、10 GHz 和 12 GHz處的歸一化輻射方向圖。可見，方向圖呈現花瓣狀，測試方向圖與仿真方向圖有較好的一致性。在兩個相互垂直的主平面內的方向圖基本重合，且有較好的對稱性。主輻射方向指向導彈正前方。隨著頻率增大，天線主瓣寬度逐漸變窄。在8 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±8°；在 12 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±4°。柵瓣電平比較大，在高頻時甚至比主瓣電平還高。過高的柵瓣電平，不僅會使輻射能量分散，增益下降，還會造成對目標定位、測向等的錯誤判斷，應當給予抑制。在本文的設計中，會出現窄的主瓣和高的柵瓣，主要受天線結構限制。在本文的設計中，印刷八木天線單元裝載在導彈四周，導彈直徑為80 mm，X波段中心頻率10 GHz處的波長λ為30 mm，單元天線間距為2.6λ，根據陣列天線理論，陣元間距d過大，會使得副瓣電平升高，主瓣寬度變窄。鑒于該天線陣較窄的角域覆蓋能力，為了有效接收或輻射電磁能量，對導彈的發射精度有較高的要求。

由上述分析可知，該天線陣的回波損耗S11、方向圖等參數的實測結果與仿真結果基本吻合，但實測增益比仿真增益略低，實測軸比會惡化，這主要由以下幾個方面的因素引起。第一，天線陣各部件加工、組裝誤差。制作實物時，鏡像地無法像仿真模型中一樣跟鋁管緊密貼合，影響地電流的連續性[8]。印刷八木天線單元安裝在鋁管開的槽中，只能通過目測定位，導致結構上略有不對稱。第二，測試時采用購買來的功分器（如圖2所示）給各單元天線饋電，功分器性能不理想對天線參數影響很大，特別是增益和軸比。功分器插入損耗偏大，導致測量增益降低；另外，功分器4個輸出端口輸出信號幅度不相等，或相位偏離 0°、90°、180°和 270°的相對關系，則會影響天線陣的圓極化性能（軸比惡化）。第三，等相位線引入誤差。測量時，天線陣各陣元饋電端口與功分器輸出端口之間是用四根長度相等（等相位）的同軸線連接的。連接時，同軸線被彎折，損耗和相移發生變化，影響軸比。第四，測試誤差。在本文的設計中，采用Agilent公司的E8363B矢量網絡分析儀測量天線陣回波損耗S11，利用微波暗室測量輻射方向圖，受測試環境和測試方法影響，不可避免地會引入誤差。

圖4 天線陣方向圖仿真與測試結果Fig.4 Simulated and measured radiation pattern of the antenna array

4 結論

本文設計了一種彈載印刷八木天線陣，可工作于X波段，具有尺寸小、重量輕、能安裝在彈體側面與導彈尾翼共形等優點。對天線的測試結果和仿真結果進行了比較分析。該天線在整個X波段內回波損耗均小于-10 dB，相對帶寬達40%以上；主輻射方向指向導彈正前方，3 dB波瓣寬度為±4°，平均增益達4.5 dB；主輻射方向極化軸比為 0.8dB，在±4°天線掃描空間內，軸比小于3 dB，滿足圓極化設計要求。基于以上優點，該彈載寬帶圓極化天線陣在電子對抗領域具有良好的應用前景。

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