彈丸前端抗高過載北斗接收天線

付 強，余孝安，陳斌虎

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

伴隨著我國北斗衛星定位系統在各種炮彈、榴彈等平臺的應用，彈載北斗接收天線作為北斗接收系統的關鍵部件，其天線指標的優劣直接影響北斗接收系統的性能。由于多種榴彈平臺發射過載很高,并且對彈載北斗天線的尺寸和安裝位置作了特殊要求，為了滿足北斗接收系統在彈丸飛行時北斗定位系統能快速捕獲到微弱的衛星信號和全彈道精準定位，給彈載計算機有效提供全彈道實時位置、速度信息，要求彈載北斗接收天線抗高過載同時方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射，輔助實現全彈道北斗定位。

目前很多研究者提出了多種彈載天線的設計方案[1-6]，主要解決天線的小型化和方向圖覆蓋的問題[7-15]，但是這些彈載天線的尺寸仍然偏大且安裝位置不符合安裝于彈丸頭部前端的要求[1-3]，或者方向圖覆蓋與北斗接收需求不一致[4]。目前，普遍使用的彈丸頭部彈載天線一般使用螺旋天線纏繞在塑料支柱上[16]，塑料支柱介質加載嚴重，天線的電性能大幅下降，并且通過試驗證明在高過載平臺存在抗過載問題。

本文針對彈載衛星接收天線小型化、方向圖覆蓋及抗高過載的綜合性問題，提出了彈丸前端抗高過載北斗接收天線。

1 基于對稱振子的基本原理

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子，每臂長度為四分之一波長，全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。對稱振子天線由兩根同樣粗細、同樣長度的直導線構成，在中間的兩個端點饋電。每根導線的長度為L，它稱為對稱振子的臂長。在諧振條件下，L為四分之波長。根據振子自阻抗的分析：當兩振子臂的長度大于λ/2時，振子阻抗呈感性，電流相位超前；當兩振子臂的長度小于λ/2時，振子阻抗呈容性，電流相位滯后。

1.1 經典傘形印刷振子天線

印刷振子的基本結構包括輻射臂和饋電電路, 這兩部分變形后的適當組合就成了各種不同類型傘形印刷振子天線。典型傘形振子天線如圖1所示，它由接地板、短路耦合線、開路傳輸線和微帶振子單元組成，形成的天線方向圖為定向輻射，如圖2所示。

圖1 典型傘形微帶振子天線Fig.1 Typical dipole umbrella antenna

如圖1所示，開路微帶巴倫傳輸線在介質基板的正面，微帶傘形印刷振子臂在背面，信號由微帶巴倫的底部饋入，通過短路耦合線平衡耦合到兩個印刷振子單元上。天線的每個印刷振子單元的幾何長度Le為：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中，f為工作頻率，c為光速，t為天線銅箔厚度，εe為等效相對介電常數，εr為天線介質基板相對介電常數。

圖2 典型傘形微帶振子天線E面輻射方向圖Fig.2 E-plane antenna pattern of typical dipole umbrella antenna

彈載北斗衛星接收天線要求天線方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射。由于典型傘形振子天線定向輻射的方向圖特性不適應彈載北斗衛星接收天線要求，本文擬改變典型印刷振子天線的饋電電路實現天線方向圖全向輻射的特性。

2 天線模型及參數設計

2.1 天線結構設計

彈載北斗衛星接收天線要求在彈丸頭部錐形有限小空間為引信彈道信息測量裝置提供一種安裝工藝簡單且相位中心高度穩定的小型北斗單片接收天線。

天線結構包括天線基板和圓柱形天線底座，天線基板的下底邊固連在圓柱形天線底座上端面的定位槽中，且天線基板的中軸線Z位于圓柱形天線底座的軸線延長線上。天線采用中心饋電方式，天線的方向圖以中心饋電點中心對稱分布。由于天線的中心饋電點在彈體中心旋轉軸上，因而，當彈體旋轉時，中心饋電點也就是天線相位中心將高度穩定不漂移，以保證彈載衛星天線有效地捕獲和跟蹤北斗衛星，確保接收機鎖定和跟蹤信號。

本文設計的彈載北斗接收天線安裝形式如圖3所示，由微帶振子天線和金屬底板組成，安裝在彈體頭部。為了使天線在有限空間具有相對較長的電長度滿足小尺寸要求，借鑒經典傘形振子天線形式，依據天線曲流技術將微帶對稱振子折疊與水平振子形成夾角，折疊后的振子天線兩臂可以縮小天線橫向尺寸，滿足安裝空間要求，實現天線的小型化。該天線基板的外形是梯形，梯形上底邊長10 mm，下底邊長28 mm，高29 mm，天線形狀如圖4所示。

圖3 彈載北斗接收天線安裝形式結構示意圖Fig.3 Beidou receiving antenna mounting structure

圖4 微帶振子天線外形圖Fig.4 Outline of microstrip dipole antenna

2.2 振子天線微帶電路設計

為了滿足彈載北斗衛星接收天線方向圖全向輻射要求，將典型印刷振子天線在介質基板的正面的四分之一波長開路微帶傳輸線的饋電電路改為和背面印刷振子天線直接耦合的具有輻射能力的開路對稱振子饋電結構，改變天線輻射的最大電場方向，形成天線全向輻射的特性。對稱微帶振子饋電結構如圖5所示的K3。

為了縮小天線尺寸，本文把平衡饋電線中的耦合傳輸線設計成如圖5中K1相對寬的傳輸線，饋電阻抗匹配線P1位于寬傳輸線中心位置。同時在介質背面的對稱振子天線內側通過開槽形成加載，進一步縮減天線尺寸，縫隙加載形式如圖6所示的K5。

圖5 介質正面印刷振子耦合饋電結構示意圖Fig.5 Coupled feed structure of front dipole antenna

圖6 介質反面振子天線加載縫隙示意圖Fig.6 Schematic diagram of antenna loading slot on the reverse side

圖5所示介質正面印刷振子耦合饋電結構包括第一對稱開路傳輸饋電振子線K3，第一輔助饋電線K2，耦合饋電總線K1，阻抗匹配線P1，第一、第二輔助接地線G1、G2。圖6所示介質反面振子天線加載縫隙微帶線包括第二對稱振子天線K4，縫隙加載短路耦合線K5和K6，兩對稱臂之間的縫隙距離為S，縫隙深度為D，第三、第四輔助接地線G3、G4，每條振臂的折角為α(90°≤α≤150°)。T2為圓柱形天線底座。

2.3 微帶振子天線參數

從天線輻射效率和加載的角度考慮，微帶振子的寬度應選擇寬些，而天線加載的設計是一個非線性的問題，為了保持天線加載前和加載后的輻射特性基本不變，加載的位置應盡量避開輻射點或輻射邊的位置。基于彈載北斗衛星接收天線的使用環境，用介電常數4.4的材料為天線基板,介質厚度t=1 mm，根據加載的經驗，縫隙加載太寬將影響輻射方向圖和輻射效率，初步選定縫隙距離S為1.3 mm。

調整振子天線長度能改變天線頻率，調整微帶振子的寬度以及縫隙加載深度，可以優化天線尺寸和達到阻抗匹配，有效降低駐波比。天線參數調整是一個多變量復雜問題，本文借助計算機模擬和最優化技術尋求天線參數的最優解。設計中先固定一部分量, 求得較佳值后逐步調整固定量,使天線性能指標趨于優化,表1 給出了天線結構尺寸優化數值。

表1 天線結構尺寸數值表Tab.1 Table of antenna structure size

3 天線仿真及測試驗證

3.1 北斗接收天線的仿真

彈載北斗衛星接收天線形狀為梯形且梯度與引信風帽的錐度一致，天線基板的下底邊固連在圓柱形天線底座上端面的定位槽中，且天線基板的中軸線Z位于圓柱形天線底座的軸線延長線上。利用巴倫平衡饋電結構對其分別饋以振幅相同的電流，在垂直于彈軸面的赤道面為圓形，子午面為“∞”字形。

利用HFSS軟件，對彈載北斗接收天線進行了建模與仿真設計，建立的天線模型為含金屬彈體的彈載北斗接收天線仿真分析模型圖，如圖7所示。

圖7 彈載北斗接收天線仿真分析模型圖Fig.7 Missile borne Beidou receiving antenna simulation model

利用HFSS對天線進行建模與仿真參數優化后，得到天線輻射方向圖與電壓駐波比仿真圖。圖8為天線三維方向圖仿真結果，實現了全向輻射特點；圖9為天線電壓駐波比仿真結果。由圖9可知在中心頻率1 268 MHz處電壓駐波比為1.062，在1 268 MHz±46 MHz 的頻率范圍內，電壓駐波比小于等于2。

圖8 印刷振子耦合饋電天線仿真三維方向圖Fig.8 Dipole coupled feed antenna simulation of 3D pattern

圖9 天線的電壓駐波比(VSWR)仿真曲線Fig.9 Antenna VSWR simulation curve

從仿真的結果來看，該彈載北斗接收天線在中心頻率為f=1.268 GHz時，電壓駐波比(VSWR)約為1.062，增益為G=2.04 dB，實現了彈載北斗衛星接收天線的方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射等特點。

3.2 實驗室測試驗證

彈載北斗接收天線在實驗室進行了測試驗證，圖10為天線電壓駐波比測試結果。由圖10可知在中心頻率1 268 MHz處電壓駐波比為1.141，在1 175～1 494 MHz的頻率范圍內電壓駐波比≤2。研制的彈載北斗接收天線測試結果與設計基本吻合，實際測試阻抗帶寬約為300 MHz，其相對帶寬達到23.6%。

圖10 天線的電壓駐波比(VSWR)測試曲線Fig.10 Curve of the measured standing wave Antenna

圖11為彈載北斗接收天線暗室測試場景圖，圖12和圖13為暗室測試的方向圖。圖12為彈載北斗接收天線H面實測方向圖，圖中增益數值對應的最大增益相對值為12.4，最小增益相對值為11；天線H面增益不平坦度小于1.5 dB，H面基本為圓形。圖13為彈載北斗接收天線E面實測方向圖，近似為“∞”字形輻射特征。通過與標準天線對比，測試中心頻率處的最大增益為1.52 dB。從測試結果可知，設計的彈載北斗接收天線的方向圖滿足在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射特點。

3.3 外場試驗驗證

試驗樣機通過炮射北斗定位存儲試驗，回收彈載北斗衛星信號信噪比如圖14所示，圖中橫坐標為時間，縱坐標為彈載北斗衛星信號信噪比。從圖14可知：彈載北斗衛星信號在彈丸發射3 s內7星定位，北斗衛星信號信噪比均大于40，且全彈道衛星信號信噪比穩定定位。試驗數據表明彈載北斗天線性能滿足快速捕獲定位和全彈道衛星精準定位。

圖11 彈載北斗接收天線暗室測試場景圖Fig.11 Scene diagram of antenna darkroom test

圖12 彈載北斗接收天線H面實測方向圖Fig.12 Measured pattern of H-plane Beidou antenna

圖13 彈載北斗接收天線E面實測方向Fig.13 Measured pattern of E-plane Beidou antenna

圖14 彈載北斗衛星信號信噪比Fig.14 Signal to noise ratio of missile borne Beidou satellite

外場試驗表明，彈載北斗接收天線在承受高過載的發射條件下滿足輔助衛星定位產品快速衛星定位，全彈道北斗衛星定位性能優良，可為彈載計算機有效提供全彈道精準的位置、速度信息。

4 結論

本文提出了彈丸前端抗高過載北斗接收天線。該天線基于微帶振子天線原理，利用天線曲流技術將天線振子折線形成傘形微帶振子，同時在天線背面的振子天線內側通過開槽形成電容加載，縮小了天線尺寸，并采用對稱微帶振子饋電結構實現了天線方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射特點。該天線外形為梯形，梯形上底邊長10 mm，下底邊長28 mm，高29 mm，厚1.0 mm。仿真、測試與試驗表明，彈丸前端抗高過載北斗接收天線性能指標優良，具有體積小、易加工安裝、方向圖穩定等特點，在承受高過載的發射條件下滿足產品全彈道衛星定位。研究成果可應用于不同榴彈平臺的衛星接收天線設計。