無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法

何 博，李世中，張 亞

(中北大學機電工程學院，山西 太原 030051)

0 前言

現代戰場各種武器裝備外形設計愈加強調減小雷達反射面積以提高隱蔽性[1-2]，若要更加準確地探測到目標，無線電引信的輻射頻率需向著超高頻發展，毫米波探測技術在精確制導彈藥的尋的引信中得到了重要的應用并已取得突破性的發展[3]，近年來大熱的太赫茲技術也被證明擁有著極大的引信探測的價值[4-5]。在提高輻射頻率的同時，引信探測天線也需具有高增益、高探測分辨力和測角精度的特點，以提升引戰配合性能。天線作為無線電引信的重要構件，作用是把引信發射機發射的電磁波信號輻射到自由空間，當天線主波束照射到目標并經目標散射后，由同樣波束形狀的天線接收，經信號處理，最終形成引信起爆信號[6]。

角錐喇叭天線是高頻率頻段廣泛使用的天線，在太赫茲頻段總體尺寸小、結構簡單、易于制造[7]。喇叭天線使波導開口面逐漸擴大，改善了波導與自由空間的匹配，使得波導中傳輸的絕大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小，并且波導天線能夠承受較高過載環境[8]。

針對現代戰場面對小雷達反射面積的目標，無線電引信探測天線需具有高增益、高探測分辨力和測角精度的特點，提出了無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法。

1 天線模型計算與建立

設計的初始尺寸天線工作的中心頻率為256 GHz，頻段為224～288 GHz，增益要求為90(約19.5 dB)，波導選用型號為WR-3的矩形波導，角錐喇叭天線的三維模型如圖1所示。

圖1 角錐喇叭天線模型圖Fig.1 The model of a pyramid horn antenna

最佳增益設計公式如式(1)—式(5)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，λ為工作中心頻率對應的波長，RH與RE分別表示喇叭口E面和H面到喇叭虛焦點的距離，A為波導的高度，B為波導的高度，DE為喇叭口面寬度，DH為喇叭口面高度。

查表得到波導尺寸與計算得到喇叭天線的初始尺寸參數如表1所示。

喇叭天線作為面天線，口面相位差是一個需要注意的問題，口面相位差過大，天線主波束會有較多凹坑，輻射曲線深淺不分明，利用介質透鏡可有效調相，提高天線的輻射性能。

表1 喇叭天線及波導初始尺寸

2 介質透鏡選擇與建模

常用的喇叭天線分為圓錐喇叭天線和角錐喇叭天線。圓錐喇叭天線的口面是一個圓形，與天線的虛焦點形成一個圓錐，圓錐的母線都相等，所以電磁波由天線的虛焦點到口面的最大相位差是一定的，單曲面介質透鏡方程也一定；角錐喇叭天線的口面是矩形，與天線虛焦點形成一個四棱錐，電磁波從虛焦點到達喇叭口面時，在天線輻射的E面、H面以及最大距離差面上需校正的相位差是不同的，對應的介質透鏡方程也就不同，所以分為三種情況如圖2所示。

圖2 三種情況下的介質透鏡Fig.2 Dielectric lens in three cases

透鏡a為E面上相位差校正透鏡；透鏡b為H面上相位差校正透鏡；透鏡c為最大距離差面上相位差校正透鏡，圖中f為透鏡的焦距，t為透鏡的厚度。

介質透鏡的曲面方程如式(6)：

(n2-1)x2+2f(n-1)x-y2=0

(6)

式(6)中，f為透鏡焦距，n為透鏡材料的折射率。

表2 三種不同情況介質透鏡的尺寸

3 仿真結果對比與分析

通過HFSS15.0軟件將三種介質透鏡分別與角錐喇叭天線配合模擬仿真，得到了駐波比曲線與整個頻段的增益曲線如圖3、圖4所示，可以發現在分別添加三種介質透鏡之后，天線的增益都得到了提高，但駐波比參數也不同幅度的提升。圖5為未添加介質透鏡與添加介質透鏡三種情況下天線的輻射方向圖，輻射曲線在添加介質透鏡后都變得更加平滑。通過讀取圖3、圖4、圖5中的信息，得到天線在中心頻率的具體輻射參數如表3所示。

圖3 四種情況下天線駐波比曲線Fig.3 The VSWR of the antenna in four cases

圖4 四種情況下天線增益變化趨勢圖Fig.4 The gain of the antenna in four cases

圖5 四種情況下天線輻射方向圖Fig.5 Antenna radiation pattern in four cases

表3 四種情況下天線參數

通過表3顯示出，相比于未添加介質透鏡的角錐喇叭天線，3種情況下的介質透鏡都使天線的各項輻射參數發生一定的變化，具體變化如下：

1) 添加透鏡a的天線增益提高了1.54 dB，駐波比升高了0.332 1，E面旁瓣電平無較大變化、3 dB寬度減小1.143°，H面旁瓣電平減小了5.86 dB、3 dB寬度減小了1.084°；

2) 添加透鏡b的天線增益提高了1.93 dB，駐波比升高了0.211 8，E面旁瓣電平降低了2.59 dB、3 dB寬度減小2.41°，H面旁瓣電平減小了6.34 dB、3 dB寬度減小了1.14°；

3) 添加透鏡c的天線增益提高了1.18 dB，駐波比升高了0.260 4，E面旁瓣電平升高了3.9 dB、3 dB寬度無較大變化，H面旁瓣電平減小了7.79 dB、3 dB寬度無較大變化。

通過以上具體對比可得到，在添加透鏡后，天線的各項輻射參數愈加滿足無線電引信對探測天線的要求。特別是添加透鏡b后，天線增益提升量最大、駐波比升高量最小，在E面、H面旁瓣電平都得到了降低，提高了天線的抗干擾性，在H面半功率波束寬度最窄，提高了探測分辨力和測角精度，并且通過表2可以得到，基于H面添加的介質透鏡尺寸最小、厚度最小、重量最輕。

圖6為三維極坐標圖，可以直觀地發現，添加透鏡后喇叭天線輻射的球面波變成了平面波，改善了相位差帶來的損失，提高了天線的增益。

4 結論

本文提出了無線電引信角錐喇叭天線輻射性能改善方法。該方法利用三維電磁仿真軟件HFSS15.0建模了一種工作在256 GHz的角錐喇叭天線，并分別基于角錐喇叭天線E面、H面、最大距離差面加載介質透鏡以改善天線輻射性能。仿真結果表明，基于H面添加介質透鏡后，天線增益提升量最高(1.93 dB)、駐波比上升最小 (0.211 8)、E面旁瓣電平降低了2.59 dB、3 dB寬度減小2.41°，H面旁瓣電平減小了6.34 dB、3 dB寬度減小了1.14°，說明角錐喇叭天線基于H面添加介質透鏡更好地滿足了無線電引信對天線的要求，并且相比于另外兩種情況，輻射性能更好，透鏡尺寸更小、重量更輕。此方法下雖然提高了引信探測天線的增益、探測分辨力與測角精度，但主波束的變窄使得探測范圍也將受到一定的約束。