無線電引信圓形微帶天線輻射性能改善方法

何 博，李世中，張 亞

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 前言

引信天線作為無線電引信的重要構(gòu)成，是無線電引信能夠順利探測到目標(biāo)從而形成起爆信號的關(guān)鍵[1-2]。引信天線有著多樣的選擇，振子天線、螺旋天線、微帶天線等等都可以被應(yīng)用到無線電引信上[3]，而微帶天線由于其體積小、質(zhì)量輕、低剖面、制造簡單、成本低、易集成等特點受到更多了青睞[4-5]。微帶天線其貼片可以設(shè)計為不同的形狀，如矩形、圓形、扇形、星形等等，其中矩形微帶貼片天線研究與應(yīng)用較多，但由于引信三維結(jié)構(gòu)為圓錐型或圓柱型，其共同點都是橫截面為圓形，那么圓形微帶天線(介質(zhì)層同樣為圓形)將在本身有著尺寸限制的引信體中具有更大的空間使用率。

引信天線的輻射性能極大地影響著無線電引信的性能，圓形微帶天線的HPWB(半功率波束寬度)較寬，在類似于空對空反導(dǎo)時具有優(yōu)勢，但增益是所有微帶天線短板，特別是現(xiàn)在各類軍事目標(biāo)愈加強調(diào)“隱身性”，從而使無線電引信對其天線輻射性能要求越來越高，但提高單個天線增益的方法都伴隨著探測角的減小，這將一定程度地限制引戰(zhàn)配合的性能。

針對無線電引信天線提高增益的同時難以保留較大探測角的問題，提出了無線電引信圓形微帶天線輻射性能改善方法。

1 圓形微帶天線設(shè)計與優(yōu)化

設(shè)定天線工作在X頻段(7～12 GHz)，中心頻率為10 GHz，圖1為圓形微帶天線結(jié)構(gòu)模型，其尺寸可由下式初步計算[4,6]

(1)

(2)

式中，h為介質(zhì)層的厚度，本次設(shè)計設(shè)定其值為1 mm；Re為等效半徑；fr是天線的諧振頻率；K11為一階第一類貝塞爾函數(shù)倒數(shù)的第一個零點；c0為真空中的光速，其值為3×108m/s；εr為介質(zhì)層的相對介電常數(shù)，本次設(shè)計中使用的介質(zhì)層材料為FR4_epoxy(環(huán)氧樹脂)，其相對介電常數(shù)4.4、損耗正切為0.02。

根據(jù)初步計算的結(jié)果，通過三維電磁仿真軟件HFSS進行建模，并利用參數(shù)優(yōu)化功能對天線的諧振頻率和諧振效果進行優(yōu)化，可以得到最優(yōu)的天線尺寸，此時天線的回波損耗曲線如圖2所示，天線工作的頻帶為7.89～10.23 GHz，滿足X頻段，并在中心頻率10 GHz處，諧振效果最好，此時對應(yīng)的天線尺寸如表1所示。

圖2 回波損耗Fig.2 Loss return

RpRgFeedh同軸線3.915.8651.151RG178

2 加載磁負(fù)超材料天線結(jié)構(gòu)

2.1 新型磁負(fù)超材料單元

單負(fù)超材料由于其對特定頻段的電磁波有著傳輸禁帶的效果，被應(yīng)用于微帶天線以抑制微帶天線工作時所激發(fā)的表面波以及饋電寄生輻射，從而提升微帶天線增益[7-9]。圓形微帶天線由于其貼片為一個圓形，相比于矩形貼片微帶天線，其介質(zhì)層上的電流指向都是圓周的法向方向，所以方向變化頻繁，不像后者矩形四周介質(zhì)層電流指向都較為齊整，所以利用磁負(fù)超材料作為介質(zhì)層來抑制圓形微帶天線表面波時，其超材料單元應(yīng)該與圓周有著更多的關(guān)系。

圖3是為圓形微帶天線設(shè)計的一種新型環(huán)形磁負(fù)超材料，其每個超材料單元對應(yīng)著30°的圓環(huán)，由厚度可以忽略不計的銅線蝕刻在天線介質(zhì)層上，單元的具體尺寸由表2所示。

圖3 新型磁負(fù)超材料Fig.3 The new type negative-μ metamaterials.

crdhwd10.37410.40.2

通過HFSS仿真得到單元結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)，再利用Smith, D.R.等人于2005年提出的反演算法[10]反演出等效磁導(dǎo)率和等效介電常數(shù)如圖4所示。可以得到在中心頻率10 GHz附近，單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了磁諧振，此時等效磁導(dǎo)率為負(fù)值，等效介電常數(shù)為正值，為磁負(fù)超材料，磁負(fù)頻段包含了整個天線工作頻段，所以可以加載到所設(shè)計的圓形微帶天線上。

圖4 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Element structural parameters

2.2 加載超材料天線結(jié)構(gòu)

由于在微帶天線上加載超材料只在主輻射邊方向作用明顯，所以本文在圓形微帶天線主輻射邊方向上兩邊各加載了3個磁負(fù)超材料單元，加載超材料單元后天線的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 加載超材料天線模型Fig.5 The antenna Model after loading metamaterial

3 仿真試驗與結(jié)果分析

利用三維電磁仿真軟件HFSS建模仿真可以得到天線的各項遠(yuǎn)場參數(shù)，圖6為天線增益曲線。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在中心頻率10 GHz處，由于加載的磁負(fù)超材料結(jié)構(gòu)抑制了微帶天線工作時所激發(fā)的表面波以及饋電寄生輻射，天線增益得到近1 dB(0.911 dB)的提升，并可看到在11 GHz時天線的增益提升量已經(jīng)大幅度減少，因為此時超材料單元的等效磁導(dǎo)率逐漸變?yōu)檎担鋵Ρ砻娌ǖ囊种菩Ч苍谥饾u降低。圖7為天線的E面、H面歸一化輻射方向圖，由圖可以看到，由于在天線的主輻射邊加載了磁負(fù)超材料，天線的H面HPWB(半功率波束寬度)有一定程度的減小，具體減小了約12°；由于非輻射邊并沒有加載超材料結(jié)構(gòu)，所以E面HPWB并沒有減小，反而由于H面波束寬度被限制，而增加了約3°。圖8為天線輻射三維極坐標(biāo)圖，通過圖8可以直觀發(fā)現(xiàn)，加載了磁負(fù)超材料的天線，增益得到了提升的同時，保留了無線電引信所需要的較大的探測角，還可以看到加載磁負(fù)超材料后天線后向波大幅度降低。

圖6 增益對比Fig.6 Gain vs. frequency

圖7 歸一化輻射圖Fig.7 Normalized radiation pattern vs. frequency

圖8 三維極坐標(biāo)圖Fig.8 Three-dimensional polar plot

4 結(jié)論

本文提出了無線電引信圓形微帶天線輻射性能改善方法。該方法設(shè)計了可組成環(huán)形的新型磁負(fù)超材料結(jié)構(gòu)單元，并蝕刻在圓形微帶天線主輻射邊兩側(cè)以提升天線輻射性能。仿真結(jié)果表明，在主輻射邊兩側(cè)各添加3個新型磁負(fù)超材料單元后，天線增益得到了近1 dB的提升，天線E面半功率波束寬度增加了3°，天線H面半功率波束寬度減少了12°，并發(fā)現(xiàn)后向波電平大幅度降低，說明在加載新型磁負(fù)超材料后，圓形微帶天線不但增益得到了提高，同時也較大地保留了探測角，較好地滿足了無線電引信對天線的要求。