與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線

韓東波，洪 飛

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

2002年美國聯邦通信委員會 (Federal Communication Committee，FCC)開放了超寬帶標準, 超寬帶(UWB，Ultra Wideband)定義為相對帶寬大于20%或絕對帶寬大于500 MHz的系統[1]。從此超寬帶技術引起了人們越來越多的關注。用于納秒級脈沖輻射和接收的超寬帶天線是超寬帶系統的一項關鍵技術。所以對超寬帶天線的研究一直是一個熱點。在超寬帶(UWB)系統的設計中，UWB天線是重要的元件。近年來，UWB天線的設計成為天線工程領域的研究熱點，各種形式的超寬帶天線相繼被提出。超寬帶天線的設計也成為了科學界和工程界的熱門研究課題。

微帶天線由于具有體積小、重量輕、低剖面、低成本和易共形等優點，已得到廣泛應用，特別適合在移動通信、航空航天、電子對抗及雷達等領域得到了廣泛的應用。但微帶天線也因其增益低、頻帶窄(通常帶寬只有0.7%～7%)等缺陷限制了它的應用范圍[2]。因此，微帶天線的寬頻帶技術的研究已經成為一個迫切的研究課題。20世紀70年代來，基于微帶天線的寬頻帶技術主要有：增加介質基片厚度；采用εr較小的基板；輻射面開槽加縫；修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等；附加阻抗匹配網絡；改變輻射板形狀等，也可使天線相對帶寬達到15%～20%[3]。2008年，徐海洋等人提出了一種平面開槽超寬帶天線[4]；2012年，劉漢等人設計了基于U形槽和寄生條帶的雙陷波超寬帶天線[5]。

由此可見，微帶天線的帶寬展寬技術已經取得了很大進展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線會造成表面波效應明顯增加，且天線的體積及重量也會隨之增大；采用阻抗匹配網絡或是通過修改等效電路的方法則會帶來理論上分析的復雜性和天線制作困難等問題；此外，通過改變輻射板形狀的方法會對天線制造公差提出更高的要求。以上方法有的是實驗形成的，有的是定性分析的。在實際應用中，由于其分析方法還不成熟和設計難度，特殊結構天線的設計效果還有些偶然的因素，往往是綜合應用幾種方法來達到目的。本文針對上述問題，提出了與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線。

1 微帶貼片天線

本文以矩形微帶貼片天線為研究基礎，矩形微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片上的矩形輻射貼片所構成，其形狀如圖1所示，頂層為矩形貼片的帶狀導體，尺寸為W×L；中間層為薄介質基片，主要參數主要有：厚度h，介電常數εr，介質損耗角正切值tanδ等；底層為金屬地板。

圖1 矩形微帶貼片天線Fig.1 Rectangular microstrip path antenna

微帶天線的性能在很大程度上和介質基片有關，因此設計中首先選取合適的介質板材，介質板材根據介質材料、使用的頻段、機械強度、損耗、使用溫度范圍、加工的工藝性等綜合考慮選擇。

矩形貼片天線的輻射特性可以由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度、效率、損耗和品質Q因數等來表征。目前，對最基本的矩形貼片天線的輻射特性的分析方法有好幾種，從復雜的數學表達式到簡單的模型，各不相同，現以證明這些方法對工程應用已經足夠了。這些方法包括：矢量位法、格林函數法、輻射孔徑法、腔體模型、傳輸線模型等。前人從分析與實踐中也得出了便于工程設計計算的經驗公式[3]。

在矩形微帶天線的設計中，一般可以給根據天線所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

其中，W和L分別為輻射單元的寬度和長度，ΔL為線伸長量；εe為介質等效介電常數；fr為頻率；c為光速。

天線帶寬BW通常用電壓駐波比表示，電壓駐波比小于等于某一規定值S的頻帶寬度。帶寬與微帶貼片的品質因數關系為：

其中，Qt為天線的總品質因數，Qr表示與輻射電阻有關的品質因數。對于微帶貼片天線：

以C波段7.0 GHz中心頻率的矩形貼片天線為例，厚度h=2.0 mm；εr=4.0，計算駐波比S小于2時的帶寬(綜合以上公式)BW=0.05，即相對帶寬只有8%。

2 與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線

本文提出的與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線結構如圖2所示。采用雙面覆銅的介質板基片，金屬層通過刻蝕形成導電邊界，底部方形頂上尖形，整個天線放置在風帽內，立于探測器上方，探測器的輸出接口饋入到天線底下的饋線上。輻射面為一個正方形貼片，邊長l，中間開有正方形和圓形包圍的縫隙空腔，正方形邊長w，圓形半徑r；饋電方式采用微帶邊饋形式，微帶線的饋點在正方形的角上；接地面在輻射面下面懸空。

圖2 與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線Fig.2 The UWB microstrip fuze antenna with the warhead tpye

本文引言中介紹的幾種微帶天線增加帶寬的方法，對于基本的矩形貼片天線，將帶寬可以提高到10%～15%[4-5]，也有相應的分析方法。對于特殊結構的天線，沒有相應的分析方法，往往是綜合運用幾種 方法來進行分析和設計。

綜合分析其對帶寬的戰況情況：

1)饋電點在頂角，輻射貼片的“有效長度”為上下頂角的長度1.414×l(正方形對角線長度)，輻射貼片的“寬度”為漸變長度，即寬度從饋電微帶線寬度width增加到正方形對角線長度1.414×l，再線性變窄為零寬度。根據矩形微帶貼片的寬度對帶寬的影響分析，可使相對帶寬增加約4%。

式中，bw表示矩形微帶天線的帶寬。

2)輻射面底下的接地面懸空，認為地面在遠處，相當于極大地增加了介質板的厚度，并且填充介質為空氣，以矩形貼片分析，十分有效的有效展寬頻帶的方法，即增加介質板厚度，降低介質相對介電常數，讓輻射單元與傳輸線激勵不直接相連的多層結構實現工作頻率帶較大的展寬，這種低介電常數，厚介質基板的多層微帶天線結構被稱為SSFIP(Strip-Slot-Foam-Invered Patch)天線[6]。將接地層與介質隔開一定距離，中間相當于填充了相對介電常數很低的空氣層?？諝鈱雍穸菻?介質厚度h，在輻射單元與底層之間相當有較大的空腔，故可以通過腔模理論計算出介質層的等效介電常數公式如下：

其中，H為空氣層厚度，h為介質層厚度，εr為介質介電常數。

當電壓駐波比VSWR≤2.0時，微帶天線帶寬的經驗公式可以表示為：

BW=5.04f02×h

其中，f0為中心頻率，h為介質基板厚度。

為了獲得寬頻特性，采用介電常數相對較小的介質作為基板。此處我們所采用的介質為Rogers Ultralam 1250(相對介電常數εr=2.5，損耗角正切tanδ=0.000 9)。從理論上來說，接地板可以無限遠，然而在實際工程設計中，考慮到接地板實際距離以及“有效(起作用)”的輻射面與接地面的距離，空氣層厚度H?介質厚度h，同時H>0.25λg(等效波長)，取H=0.3×λ=12.6 mm，根據經驗公式：BW=5.04×7×7×12.6=3.1 GHz。

3)輻射面中間開有正方形和圓形包圍的縫隙空腔，正方形邊長w，圓形半徑r，根據Vivek的實驗理論，在微帶天線輻射面上沿面電流方向開縫隙窗口，可等效引入了阻抗匹配元件，改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性，得到較大的耦合量，使得電抗性能在一定的諧振頻率范圍內穩定，變化微弱，該方法可使微帶天線一般可以獲得10%(VSWR<2)左右的相對帶寬[7]。

為了與普通的矩形貼片微帶天線對比，擬設計工作于C波段(4.0～8.0 GHz)的頻率范圍內，其設計指標為：工作中心頻率7 GHz；駐波比VSWR≤2.0。

結合以上各種因素，最終設計的天線尺寸為：

板材：Rogers Ultralam 1250，εr=2.5；尺寸：24 mm×30 mm；厚度1 mm；L=15 mm；w=8 mm；r=3.5 mm；h=12 mm。

3 仿真與測試

本文利用Ansoft公司的HFSS軟件對上述天線進行實物建模、仿真，模型圖如圖3所示。通過仿真、優化及網絡分析因的測試得到天線的電壓駐波比(VSWR)圖及天線的輻射方向圖。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

圖4表示的是阻抗曲線，可以看出從3.5～8.5 GHz，阻抗在50 Ω上下浮動，電抗在0上下浮動，基本都是平滑的曲線，阻抗的實部R在30～60 Ω范圍內，虛部-10～+20范圍內。

圖4 阻抗曲線圖Fig.4 Impedance curve

圖5中，細實線表示仿真的駐波比曲線，點劃線表示實測的駐波比曲線，可以看出，仿真的駐波比VSWR<2.0時，天線的工作頻率為3.56～8.63 GHz，相對帶寬為68%；實測的駐波比VSWR<2.0的工作頻率為3.4～8.75 GHz，其相對帶寬達到了71%，相對矩形微帶貼片天線極大的展寬了阻抗帶寬。從仿真的駐波比曲線可以看出，有兩個諧振點頻率4.3 GHz和8.0 GHz，可以解釋接地面“懸空”與“非懸空”兩個輻射窗處基板厚度不同的兩個諧振器經階梯電容耦合產生雙回路現象造成[8]。

圖5 天線駐波比圖Fig.5 VSWR curve

圖6為仿真及實測的增益-頻率曲線，細實線表示仿真曲線，增益取φ=0°，θ=50°為最大增益，可以看出從4～8.5 GHz，增益最大值5.0 dB，最小值2.5 dB，增益起伏為2.5 dB，可以滿足引信使用要求；黑色實點表示實測的增益值，由于增益的測試需要在微波暗室進行，限于場地和費用，測試了頻帶內一些點，增益，頻率分別為(3.8，4.0)，(4.5,4.5)，(3.5,5.0)，(2.8,6.0)，(3.5,7.0)，(4,7.5)，(3.5,8.0)，可以看出與仿真曲線基本吻合。按照增益的帶寬范圍達到4.0～8.3 GHz的頻帶范圍。

圖6 增益-頻率仿真及實測曲線Fig.6 Gain simulation and measured value

圖7表示天線的3D方向圖。圖8表示了天線在不同頻率的E面方向圖。在天線工作頻段內，當頻率分別為3.6 GHz和8.5 GHz時，天線輻射方向圖為空心錐形狀，只是不同頻率的增益略有變化，主瓣方向為與軸向夾角50°，呈圓周分布，波瓣角寬度為40°，表明天線在整個工作頻段內具有良好的輻射特性，可以應用到落角為20°～80°的炮彈、火箭彈上。

4 結論

本文提出了超寬帶與彈頭共型微帶天線。該天線以微帶貼片天線為設計基礎，在對輻射面寬度漸變處理，開窗，以及接地面懸空等特殊結構設計。仿真與測試表明，該天線在極大的增加了帶寬，在3.6～8.5 GHz的頻率范圍駐波比小于2.0，其相對帶寬達到了70%，天線在保證寬帶工作的前提下，天線在整個工作頻段內的輻射特性良好，可以應用到大小落角的炮彈、火箭彈上。此外，所設計的天線結構簡單，方便制作，在一定程度上減輕了天線的重量，從而節約了天線成本，在天線工程中具有良好的應用前景。