小型化彈載全姿態跟蹤導航天線

陳智達，彭順全

（廣東盛路通信科技股份有限公司，廣東 佛山 528100）

0 引 言

常規彈藥的智能化改造是軍事熱門的科研領域之一，而智能化彈藥中彈上接收天線是信號接收單元的關鍵部件。由于彈上空間十分有限，對彈上天線提出了一些急迫而現實的需求，即體積小、重量輕、能夠與彈丸共形、在受控范圍內任意姿態下都能可靠接收指令等。

小型化的彈載頭端天線隨著可接收的衛星導航星座越來越多（包括GPS、北斗、GLONASS以及Galileo等），即使在接收環境惡劣的情況下亦能確保用戶穩定可靠地接收衛星信號，為常規彈藥的智能化改造提供了可靠保證。

目前，普遍使用的頭端彈載一般使用PIFA 螺旋天線[1]纏繞在塑料支柱上，雖然能夠承受彈藥發射時的高沖擊力、高溫度沖擊等可靠性指標，但使用的頭端天線為線極化天線，接收圓極化信號必須減一半的能量，且塑料支柱介質加載嚴重，天線的電性能大幅下降，使定位時間和定位精度嚴重惡化。另外，天線在下降的姿態上，由于地板的影響和天線方案的局限，天線輻射都朝正下方，無法接受正上方的衛星信號，導致下降過程中定位精度急速下降，無法保證導彈正常定位。

1 天線結構

本文提出的在輻射面加載等長的耦合短路線微帶貼片天線，如圖1 所示。

圖1 四臂螺旋天線輻射面

四臂螺旋天線方案[2-3]如圖1～圖4 所示，是由介質支撐體1、天線輻射體2、接地板3、天線饋電點4、天線短路點5、π 型匹配電路甲6、π 型匹配電路乙7以及合成電路8 組成。

天線輻射體2 由4個諧振頻率臂構成，且4個諧振頻率臂均勻分布在輻射體介質支撐體1。

天線饋電點3 和天線短路點4 均設置有4個，均勻固定在接地板3 上，通過焊接把介質支撐體1 與接地板3 連接在一起，形成PIFA 天線，調整天線臂阻抗。

圖2 本方案天線應用于彈載系統上

圖3 四臂螺旋天線設計方案

圖4 新方案四臂螺旋天線移相網絡設計方案

天線的π 型匹配電路甲6 由LCL 電路組成，其中L1&L2為接地并聯電感，C1為串聯電容；π 型匹配電路乙7 由CLC 電路組成，其中C2&C3為接地并聯電容，L3為串聯電感。

天線的匹配電路甲6 和匹配電路乙7 根據工作頻率匹配形成相差180°相位偏移[4]。

天線的合成電路8 由3 個等幅同向的二合一集成芯片溝通，與匹配電路甲和匹配電路乙共同作用，使天線對稱兩臂的相位相差180°，并進行四路合一。后續C4串聯后，經低噪放將天線輸出。

天線的介質支撐體1 的圓柱體壁厚和材料特性（介電常數、正切損耗因子等）均會對天線工作頻點、工作效率、波束帶寬以及輻射增益等性能參數產生影響；天線輻射體2 由4 個螺旋臂組成，均勻分布，可用于1 521～1 621 MHz 高頻工作頻段或者 1 164～1 300 MHz低頻工作頻段。天線輻射體2 以不同方向的環繞，將形成右旋和左旋極化。本案例中天線臂為順時針旋轉，形成右旋圓極化信號。

2 仿真結果及討論

圖5 和圖6 給出了新天線方案和傳統方案的方向圖。從圖5 和圖6 可以看出，傳統方案輻射方向圖只能定向輻射，最大輻射方向在天線的正上方，而新方案通過移相網絡的更改，不僅實現了圓極化，而且在上下左右均能保持一定的輻射能量，使彈載天線在全姿態都能保持跟蹤定位。

圖5 新方案方向圖

圖6 傳統天線方向圖

表1 和表2 比較了提出的兩種天線方案輻射性能。明顯看出，新方案在上方增益方面比傳統方案低3 dB，而左側、右側以及下方均明顯優于傳統天線，尤其是下方增益。

表1 新方案方向圖的性能

表2 傳統天線方向圖的性能

表3 和表4 比較了兩種天線方案在實現移相網絡方案中的區別。兩種設計方案都是等幅度的設計，能實現右旋圓極化。表4產生類似微帶縫隙激勵的方向圖，而表3 激勵的是與底板無關的水平圓極化激勵，且方向圖具有水平全向天線的特征。

表3 新方案天線相位設計方案

3 結 論

本文提出了一種四臂螺旋天線設計方案。通過在內部移相網絡的創新，實現天線上方和下方均能產生相同圓極化增益，并且不受下方底板大小的影響，確保彈載天線在上升、平飛、下降過程中都能穩定跟蹤定位信息，提高打擊精度和可靠性。本實用新型雖然較傳統彈載天線信噪比上方增益低3～4 個CN 值，但解決了傳統天線在下降過程中無法跟蹤定位或定位偏弱的技術難題。

表4 傳統天線相位設計方案