周向前傾彈載介質(zhì)陣列天線的設(shè)計(jì)*

蘇貞霞,常樹(shù)茂

(西安郵電大學(xué),西安　710061)

周向前傾彈載介質(zhì)陣列天線的設(shè)計(jì)*

蘇貞霞,常樹(shù)茂

(西安郵電大學(xué),西安710061)

摘要:根據(jù)彈載探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)要求,設(shè)計(jì)了一款毫米波介質(zhì)陣列天線。將6個(gè)介質(zhì)天線單元均勻安裝在彈體側(cè)向一周,通過(guò)波導(dǎo)饋電形成陣列天線。闡述了基本理論和設(shè)計(jì)方法,給出了設(shè)計(jì)尺寸。ANSOFT HFSS仿真結(jié)果表明,該陣列天線輻射方向圖軸向前傾30°,周向方向圖接近圓,且在37.8~38.9 GHz的工作頻段內(nèi)VSWR<2,最高增益可達(dá)到11 dB。該陣列天線適用于相關(guān)工程。

關(guān)鍵詞:彈載天線;介質(zhì)天線;軸向前傾

0引言

彈載天線是彈載探測(cè)和彈載通信系統(tǒng)中重要組成部分。不同的使用目的,對(duì)天線輻射方向要求不同。對(duì)地探測(cè),一般要求天線輻射的最大值在軸向附近;對(duì)于遙測(cè)遙控的彈載通信系統(tǒng),一般要求天線輻射的最大值在周向附近;對(duì)空探測(cè)系統(tǒng),一般要求天線輻射方向圖為周向前傾。天線安裝在軸向前端,可以實(shí)現(xiàn)天線輻射的最大值在軸向附近[1-2]。天線安裝在彈體側(cè)體,可以實(shí)現(xiàn)輻射最大值在周向附近[3-4]。文中設(shè)計(jì)了一種毫米波介質(zhì)陣列天線,天線安裝在彈體側(cè)體壁上,而輻射方向圖的最大輻射方向軸向前傾30°,周向基本為全向。這種設(shè)計(jì)滿足了彈體前部不允許安裝天線,且又要求探測(cè)范圍覆蓋前向180°的要求。

1天線設(shè)計(jì)

介質(zhì)天線的凸出部分插入波導(dǎo)中,使波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)饋電。由電磁波理論知,介質(zhì)片對(duì)電磁波有導(dǎo)向作用。考慮到設(shè)計(jì)的天線輻射方向圖有沿軸向前傾的要求,設(shè)計(jì)中使介質(zhì)片整體指向彈體軸向。為了達(dá)到天線與彈軸垂直的面上方向圖接近全覆蓋,采用沿彈體圓周間隔60°均勻分布6個(gè)天線單元的天線陣方法。

1.1　天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線使用波導(dǎo)激勵(lì)[5-8]。為了使波導(dǎo)中的介質(zhì)與波導(dǎo)中的空氣界面反射較小,插入波導(dǎo)中的介質(zhì)終端做成漸變形狀。彈載介質(zhì)天線單元設(shè)計(jì)如圖1(a)所示。矩形波導(dǎo)和表面波結(jié)構(gòu)耦合,使一部分輸入功率轉(zhuǎn)換為束縛在介質(zhì)表面的表面波,直到終端處輻射。考慮到隨著天線介質(zhì)片直徑的逐漸減小,介質(zhì)中的電磁波相速度會(huì)相應(yīng)的逐漸提高。為使末端相速度接近于自由空間相速度,從而減弱末端的反射,介質(zhì)片的形狀設(shè)計(jì)成錐形。為了滿足介質(zhì)天線的增益、主瓣寬度、副瓣電平和帶寬的設(shè)計(jì)要求,介質(zhì)天線的長(zhǎng)度、截面面積可以由式(1)~式(3)來(lái)估算確定。

(1)

(2)

(3)

式中:l為介質(zhì)片的長(zhǎng)度;k為真空中電磁波波數(shù);kz為介質(zhì)天線中電磁波波數(shù);smax為錐形介質(zhì)片的大截面面積;smin為錐形介質(zhì)片的小截面面積。根據(jù)電磁波理論可以推出天線單元輻射方向圖函數(shù)為:

(4)

1.2　天線的具體尺寸

圖1　天線尺寸圖

由上面理論公式得到天線設(shè)計(jì)的基本尺寸。利用HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件,經(jīng)過(guò)大量的仿真調(diào)試和優(yōu)化,得到滿足設(shè)計(jì)要求的尺寸,如圖1(b)、圖1(c)所示。圖中,介質(zhì)片的介電常數(shù)εr=2.17,長(zhǎng)度L1=25 mm,厚度h1=3.1 mm,空腔的尺寸為a×b=7.11 mm×3.56 mm,與WR-28B標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)的尺寸一致。插入波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)高度h2=4 mm,矩形部分高度h3=1 mm。介質(zhì)片的寬度L4=17.8 mm,介質(zhì)片上開(kāi)槽部分的尺寸和矩形波導(dǎo)內(nèi)的插入部分的尺寸一致。介質(zhì)天線邊緣到彈體金屬槽邊緣的距離L3、L6和h7分別為4 mm、10 mm和5 mm。

1.3　建模及仿真結(jié)果分析

在HFSS中仿真[9],整體建模如圖2所示。其中金屬柱半徑為40 mm,高度為170 mm。

圖2　天線仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3是介質(zhì)天線陣的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可知:周向輻射方向圖最大值11 dB,最小值為1.3 dB,不圓度為±5 dB。由圖3(b)可以看出輻射方向圖的最大輻射方向與軸向夾角30°(即前傾30°),天線陣增益大于6.5 dB。在180°的輻射范圍內(nèi),輻射最小方向在0°處(即軸向處),此方向天線增益大約-9.2 dB。

圖3　天線方向圖

增益雖說(shuō)軸向較小,但考慮到目標(biāo)彈體正前方,其目標(biāo)雷達(dá)橫截面積最大,且較小增益范圍小于±10°,所以這種天線特性不影響探測(cè)性能。由圖4的天線駐波比知在37.8~38.9 GHz頻帶內(nèi),駐波比小于2,即天線有1 GHz的工作帶寬。

圖4　天線駐波比

在調(diào)試過(guò)程中總結(jié)出幾條規(guī)律:

1)介質(zhì)的長(zhǎng)度越大增益越高方向性越好,但是,文中考慮到實(shí)用性和結(jié)構(gòu)的最小化選擇了最佳長(zhǎng)度。

2)介質(zhì)的體積對(duì)結(jié)果的影響是最直接的,圖5是假定其它尺寸一定,通過(guò)改變介質(zhì)的厚度h1的大小得出的駐波比的仿真結(jié)果,由圖可以看出駐波比隨著h1的變化而不同,其中h1=3.1 mm時(shí)效果最好。

圖5　天線體積對(duì)駐波的影響

2結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種彈體側(cè)壁安裝,圓周6單元均勻分布的毫米波介質(zhì)陣列天線。ANSOFT HFSS仿真結(jié)果表明該天線實(shí)現(xiàn)了與彈軸垂直的面上方向圖接近全面覆蓋,與彈軸向前傾30°輻射方向最大的設(shè)計(jì)。天線最大增益達(dá)11 dB,在1 GHz的頻帶內(nèi)駐波比VSWR<2。該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于天線無(wú)法安裝在彈體前部,但卻要求既要前向探測(cè),又要周向探測(cè)的場(chǎng)合。由于各種實(shí)際影響,該加載天線置于實(shí)際載體后性能會(huì)稍有改變。因此,加工實(shí)物、進(jìn)行實(shí)測(cè)、實(shí)際調(diào)試是進(jìn)一步要做的工作。

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收稿日期:2014-07-10

作者簡(jiǎn)介:蘇貞霞(1988-),女,陜西扶風(fēng)人,碩士研究生,研究方向:射頻電路與天線設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào):TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

The Design of A Circumferential Forward Missile-borne
Dielectric Rod Array Antenna

SU Zhenxia,CHANG Shumao

(Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710061, China)

Abstract:According to probing requirement of missile-borne antenna probing system, a millimeter-wave dielectric antenna array was designed. Six antenna units were evenly mounted on projectile circumferential that were feed through waveguide, forming medium array antenna. The basic theory and design methods were described and design dimensions were given. ANSOFT HFSS simulation results show that the axial radiation patterns lean forward 30°, the circumferential radiation pattern is nearly circular, the VSWR<2 at working bandwidth 38~39 GHz, and the antenna highest gains reach 11 dB. This array antenna can be used for related projects.

Keywords:missile-borne antenna; dielectric rod antenna; forward