應用于超高速制導炮彈的介質波導天線

鄭小燕，王 程，文瑞虎

(機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引言

超高速制導炮彈與常規彈藥相比彈速較高，彈目交會速度是傳統炮彈的兩倍以上，過載可達到30 000g以上，而且破片動態飛散主要集中在彈體前方，在相同起爆控制時間條件下，要求引信的探測距離更遠、抗過載能力更強和飛行過程抗燒蝕性能更好，所以對天線的質量、體積、結構設計和環境適應性設計提出了更高的要求。

波導天線已廣泛應用于無線電探測、機載、導航、氣象和通信領域，相比其他種類的天線，具有承受功率高，結構簡單緊湊，工作頻帶寬、低副瓣等特點[1]。但典型的標準波導天線無法滿足超高速炮彈極其嚴格的空間、過載、抗燒蝕、及探測性能等各種條件的要求。現有的彈載無線電引信探測器天線形式有微帶天線、振子天線、螺旋天線[2]，其天線與風帽均為獨立的分體結構，缺點一是不利于小型化設計，二是在高溫燒蝕下，風帽變形會引起天線性能的變化。目前尚未有應用于超高速制導炮彈引信天線的相關報道，超高速制導炮彈采用低阻設計，頭部尖細，彈體頭部的空間利用相對困難。對引信探測距離，接收靈敏度、和天線增益等指標要求苛刻，如果采用微帶面陣天線勢必要增加天線直徑，對彈體頭部設計增加困難。而采用介質波導天線，可以有效利用彈體鼻椎部分來提高天線增益。且由于超高速制導炮彈在高速飛行中頭部駐點位置與空氣磨擦產生極高的氣動熱，根據某型高速火箭彈飛行試驗測試結果，分體設計的天線風帽經過高速飛行后會在天線風帽底部產生明顯的燒蝕變形，對天線的輻射方向圖產生影響。本文針對此問題，提出了應用于超高速制導炮彈的介質波導天線。

1 介質波導天線

波在介質桿中傳播的相速以及在介質桿外與桿內的導波功率之比，都是桿徑的波長數和桿材的介電常數之函數[5]。對于直徑D<λ/4的介質桿，只有很少的導波效應和很小部分的能量被限制在桿內[6]；桿內的相速也接近在其周圍媒質(自由空間)中的值。然而，當直徑達波長量級時，大部分功率被約束在桿內；為了提高定向性，應取均勻介質桿(長Lλ>2而2<ξr<5)的直徑之自由空間波長數Dλ [7]為：

(1)

實際使用的聚四氟乙烯桿的直徑在圓波導中傳輸最低(TE11)模，在0.5λ～0.3λ范圍內；桿徑可以是均勻的，也可以如圖1所示錐削以減少副瓣。圖中的桿徑可以先均勻后錐削，由粗端的0.5λ漸變成遠端的0.3λ。圖2為這種介質桿的輻射場波瓣圖。

按一級近似，沿長度均勻激勵的介質桿天線，計算其輻射波瓣圖時可假設成各向同性點源連續陣，具有每波長360°×(1+1/2Lλ)相移的等幅分布，其中Lλ是天線總長度的自由空間波長數。該相對場強的波瓣圖作為始于軸的角θ之函數為：

(2)

應用謝昆諾夫等效源原理，只要已知介質桿表面的場就能計算輻射場。按此原理，桿表面的場被置換成等效電流片和虛擬磁流片，然后根據這些流源計算輻射場。

介質桿天線的定向性D近似為：

D≈8Lλ

(3)

并且，半功率波束寬度為：

(4)

式(3)、式(4)中，Lλ為桿長度的自由空間波長數。

2 超高速應用的介質波導天線

為了提高天線增益，并且降低風帽燒蝕給天線性能造成的影響，本文采用天線與風帽的一體化結構設計，具體結構如圖3所示。

金屬圓波導的直徑是天線工作中心頻率的決定性因素。金屬圓波導采用鋁金屬材料，采用空心圓柱結構，該結構為天線輻射單元的主體。根據天線工作中心頻率確定金屬圓波導的直徑，表1為標準圓波導主要參數表X波段節選，參考參數表選取X波段圓波導半徑。為了驗證最小尺寸下天線的探測性能，選取金屬圓波導半徑為7.544 mm左右。

表1 X波段標準圓波導主要參數表

Tab.1 Main parameters of X band standard circular waveguide

波導型號(國際)半徑a/mm截止頻率/GHzTE11模衰減/(dB/m)TE11TM01TE01頻率/GHz理論值 最大值C10410.1228.6811.318.110.420.1220.15C1208.73710.0013.120.912.070.152 4—C1407.54411.615.224.213.980.189 3—

金屬圓波導的高度根據波導天線的增益來進行調整，在滿足無線電引信整體輪廓尺寸條件下，通過調整波導的高度，完成絕緣子饋電探針的阻抗匹配和天線需要達到的增益要求。通過對金屬圓波導的直徑進行微調，并進行參數仿真確定天線的中心工作頻率。

絕緣子饋電探針離底深度初始值設為1/4λ，通過絕緣子饋電探針對天線輻射單元金屬圓波導進行饋電，天線與射頻發射鏈路之間采用絕緣子同軸饋電，在天線中心頻率確定后，通過調整絕緣子饋電探針的長度、距離金屬圓波導的距離使得射頻輸入信號與天線輻射單元實現阻抗匹配。

通過式(3)、式(4)和指標要求的頻率以及天線的增益來確定介質桿的長度，介質桿頂端的尺寸可以根據指標要求的外形結構設計。介質桿采用錐形結構，漸變錐形結構可以降低天線的副瓣提高天線增益，既做為天線輻射單元的一部分，又有無線電引信風帽的作用，可以作為天線單元的測試結構，也可以直接與射頻電路板焊接后進行連調測試。

相對于傳統的彈載無線電引信天線與風帽獨立的設計結構，這種一體化結構簡單緊湊，易于加工，這種天線與風帽的一體化設計結構使天線具有更強的抗高過載性能。將介質桿嵌入金屬圓波導中，既可以縮短天線輻射單元長度，提高天線增益，有效降低了發射信號的傳輸損耗，并可以通過探針饋入金屬圓波導腔體內的長度和探針距離波導腔底的高度，調整天線的中心頻率并對天線的輸入信號駐波比進行優化。

3 仿真實驗與結果分析

3.1 仿真優化設計

采用全波電磁仿真軟件(HFSS)，對應用于超高速制導炮彈的介質波導天線進行了建模仿真，包括金屬圓波導、絕緣子饋電探針和介質桿的設計。根據天線工作中心頻率確定金屬圓波導的直徑，一般取圓波導直徑D=λg，其中,λg為波導波長，天線增益與圓波導口直徑和圓波導長度成正比，波導口直徑越大，波導越長則天線增益越高。受制于彈體外形，波導口直徑最大只能等于波導波長λg，因此只能在有限長度條件下調整金屬圓波導和介質桿長度比例，以及介質桿介電常數來提高天線的增益。為方便天線測試，滿足抗過載要求，將饋電探針設計為0.9 mm，通過調節探針深入圓波導的長度和距離圓波導底部的距離，得到天線的理想工作帶寬。為提高天線輻射效率，并兼顧天線輻射單元的尺寸大小，介質桿的設計選用介電常數ξr為2.25的聚四氟乙烯作為天線輻射單元的襯底材料，外形與引信風帽共形同為圓錐形結構。

設計結果如下：金屬圓波導直徑14 mm，高度34 mm；絕緣子饋電探針直徑0.9 mm，長度5.6 mm，距離金屬圓波導底部距離4.3 mm；介質桿為下底面半徑為9.2 mm，上底面半徑為6.8 mm，高度29 mm，弧度為R4 500 mm的錐形結構。絕緣子饋電探針采用同軸結構；金屬圓波導采用鋁合金為加工材料；介質桿選用聚四氟乙烯。建模仿真如圖4所示，根據仿真模型尺寸加工天線，實物如圖5所示。

3.2 仿真與實測對比

圖6、圖7分別為介質波導天線輸入端口的S11反射參數的仿真和實測結果。由圖可見，仿真和測試結果基本一致，在頻率11～12 GHz范圍內反射參數均小于-10 dB，實現了天線的寬頻帶要求。圖8、圖9分別為介質波導天線的E面方向圖的仿真和測試結果，從測試結果可以看出天線最大增益為12.4 dB，半波束寬度為43°，實現了天線的高增益，測試結果與仿真結果基本一致。

3.3 防燒蝕仿真分析

建立天線燒蝕模型如圖10所示，與原始模型進行仿真驗證對比，結果如圖11所示，可見：在采用風帽和天線一體化設計的波導介質天線在燒蝕前后性能基本不變，可滿足超高速制導炮彈在防燒蝕方面的需求。

4 結論

本文提出并設計了應用于超高速制導炮彈的介質波導天線，該天線輻射單元主體采用金屬圓波導結構，天線與射頻發射鏈路之間采用絕緣子同軸饋電結構，采用天線與無線電引信風帽一體化設計，具有高增益，耐高溫腐蝕，結構設計簡單、易于加工生產等特點。天線最大處直徑14 mm，高度63 mm，工作帶寬1.03 GHz，增益12.4 dB。實測結果表明，該介質波導天線不僅適用于超高速制導炮彈對外形尺寸的嚴格要求，而且在抗燒蝕、及探測性能各種測試條件下工作頻帶寬，增益高，與仿真結果基本一致，可以應用于超高速制導炮彈的無線電引信探測。

參考文獻:

[1]梁毅.一種新型彈載天線[J].電磁場與微波.2014，7：66-68.

[2]薄勇，趙青，宜銀良，等.X波段低副瓣波導縫隙陣列天線特性[J].強激光與粒子束.2015，27(5)：177-181.

[3]趙杰.介質加載及復合表面等離子體波導傳輸特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4]李志全.介質加載型混合表面等離子體波導的損耗特征[J].紅外與激光工程，2015，2：677-681.

[5]葉紅霞.介質桿天線的時域特性分析[J].電波科學學報，2003，18(4)：413-417.

[6]李斌.基于復合介質結構的圓波導高增益陣列天線研究[J].電子與信息學報，2007，29(4)：994-997.

[7]John D Kraus. 天線[M].章文勛,譯.北京：電子工業出版社.2006.