超寬帶彈載共形天線設(shè)計(jì)

賀友龍，郝 汀，梁洪燦，沈千朝

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101;3.上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)

0 引 言

共形天線是一種與載體平臺(tái)外形保持一致的天線[1]。通常彈體會(huì)裝有多種天線，如導(dǎo)航天線、各種通信系統(tǒng)天線、雷達(dá)探測(cè)天線等。這些天線對(duì)導(dǎo)彈飛行造成了不可忽視的阻力，迫切需要將天線集成到彈體表殼中，如果天線帶寬足夠?qū)挘瑒t可以將若干天線功能用同一副天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈測(cè)向和定位軍事需求，對(duì)共形超寬帶天線提出了更為迫切的需求。本文結(jié)合實(shí)現(xiàn)超寬帶常用的天線形式，仿真設(shè)計(jì)出可以安裝于導(dǎo)彈表面的對(duì)數(shù)周期槽線天線(LPFSA)。

1 LPFSA結(jié)構(gòu)說(shuō)明

共形天線采用對(duì)數(shù)周期槽線形式，以滿足要求的寬帶覆蓋、表面共形安裝等系統(tǒng)要求。共形天線主要包含天線面和圓柱背腔兩部分，天線面如圖1所示。

圖1 天線面示意圖

共形天線腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)安裝要求，設(shè)計(jì)為圓柱，其與彈體表面可以共形安裝，整個(gè)天線的厚度為30 mm。共形天線金屬背腔由鋁塊整體銑削而成，金屬腔示意圖如圖2所示。

圖2 金屬腔體結(jié)構(gòu)示意圖

金屬腔內(nèi)部填充高性能蜂窩吸收材料，吸收材料膠粘于背腔底部。天線面由柔性印制板制成，厚度約0.5 mm，可以共形貼裝于吸收腔外側(cè)。天線饋電采用SMA同軸連接器，其與印制板的連接處采用錫焊。

加裝平臺(tái)，采用7個(gè)天線圍成一圈，安裝于彈體表面，從而達(dá)到天線在彈體滾動(dòng)面上的全向覆蓋。天線裝彈示意如圖3所示。

圖3 加裝平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 LPFSA設(shè)計(jì)原理

對(duì)數(shù)周期槽天線是對(duì)數(shù)周期偶極子天線的一種變形，即縫隙振子滿足對(duì)數(shù)周期律排布，因此可以滿足寬帶頻率覆蓋。

典型的偶極子形式的對(duì)數(shù)周期天線如圖4所示。圖中，d為相鄰振子間距，R為天線幾何頂點(diǎn)O至振子垂直距離，l為振子全長(zhǎng)，a為振子半徑，L為天線總長(zhǎng)度。

圖4 對(duì)數(shù)周期天線基本結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)天線結(jié)構(gòu)由3個(gè)參數(shù)相互制約決定：比例因子τ，間隔因子σ和頂角α，3個(gè)參數(shù)中只有2個(gè)可獨(dú)立選擇，其定義分別為：

(1)

(2)

(3)

不同的參數(shù)對(duì)天線的波束寬度和增益有不同的影響。一般σ固定時(shí)，比例因子τ越大，天線越長(zhǎng)，增益越高；τ固定時(shí)，間隔因子σ的選擇有一最佳值[2-3]。

理論上，縫隙天線的輻射方向?yàn)榻饘倜娴姆ㄏ颉５怯捎趯?duì)數(shù)槽的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有引向特性，所以對(duì)數(shù)槽的輻射方向是向前傾斜的，其與軸向的夾角與頻率和設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，通常情況下，該夾角為30°～50°[4]。

對(duì)數(shù)周期槽天線的設(shè)計(jì)方法與普通對(duì)數(shù)周期天線類(lèi)似。振子各長(zhǎng)度要素滿足與式(1)～式(3)相同的規(guī)律[5]。一般τ取值在0.5～0.9之間，各錐頂張角與普通對(duì)數(shù)周期天線的錐頂張角取值域相近。本文設(shè)計(jì)的天線采用共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸饋電，對(duì)各個(gè)振子單元采用移相縫來(lái)改善天線輻射性能。

3 LPFSA數(shù)值仿真

采用電磁全波仿真軟件HFSS對(duì)天線性能進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真模型如圖5所示。

圖5 天線仿真示意圖

通過(guò)運(yùn)用HFSS的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線駐波比曲線如圖6所示，典型頻率2 GHz、4 GHz、6 GHz的方向圖如圖7所示。

圖6 天線仿真駐波曲線

圖7 4 GHz的E面和H面仿真方向圖

4 測(cè)試結(jié)果

加工完成的天線實(shí)物如圖8所示，經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的駐波曲線如圖9所示。

圖8 天線實(shí)物示意圖

圖9 天線實(shí)測(cè)駐波曲線

由圖9可知，實(shí)物天線的駐波比與仿真結(jié)果基本一致。

4 GHz時(shí)E面和H面天線實(shí)測(cè)方向如圖10所示。

對(duì)比表1和表2方向圖曲線，實(shí)測(cè)方向圖主瓣最大指向與仿真方向圖有一定偏差，因?yàn)閿?shù)值模擬采用長(zhǎng)方體腔體近似圓柱腔體所致，同時(shí)蜂窩吸波材料電磁特性數(shù)值模擬時(shí)與實(shí)際情況也存在一定偏差。

圖10 4 GHz E面和H面天線實(shí)測(cè)方向圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期槽線天線通過(guò)了天線單元仿真優(yōu)化及加工實(shí)物測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該共形天線具有寬頻帶、輻射特性?xún)?yōu)良、易于彈體共形安裝等特點(diǎn)。在彈載定位和測(cè)向雷達(dá)系統(tǒng)中具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。