彈丸頭錐上小型化共形短路遙測(cè)天線

付 強(qiáng)，張海瑞，曹少珺

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

伴隨著我國(guó)現(xiàn)階段引信產(chǎn)品的多功能、智能化發(fā)展，為提高智能化引信研制產(chǎn)品的研制進(jìn)度和實(shí)用性，在靶場(chǎng)試驗(yàn)中多需要采用遙測(cè)系統(tǒng)獲取彈丸飛行時(shí)引信工作的數(shù)據(jù)參數(shù)來(lái)判斷武器的工作效果。彈載遙測(cè)天線是彈載遙測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的可靠接收發(fā)揮重要作用。

目前很多研究者提出了多種彈載共形微帶天線的設(shè)計(jì)方案[1-4]，主要解決天線彈載共形問(wèn)題，但是這些彈載天線的尺寸仍然偏大，不符合安裝于彈丸頭錐上的小尺寸需求[1-3]。有研究者采用高介電常數(shù)材料的介質(zhì)板解決了小型化問(wèn)題，但銑削出的小尺寸天線平臺(tái)占用了彈丸頭錐結(jié)構(gòu)體內(nèi)電路的空間[4]。Waterhouse 于1995 年在文獻(xiàn)[5] 中提出了在微帶貼片天線中加入短路針使天線諧振頻率降低、尺寸減少的方法。大部分文獻(xiàn)對(duì)短路針加載微帶天線進(jìn)行了理論分析[6-8]，然而關(guān)于短路針加載微帶天線具體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)產(chǎn)品報(bào)道不多。

本文針對(duì)彈載遙測(cè)天線小型化、彈體共形及抗高過(guò)載的綜合性問(wèn)題，提出了彈丸頭錐上小型化共形短路遙測(cè)天線及設(shè)計(jì)方法。

1 天線設(shè)計(jì)基本原理和設(shè)計(jì)方法

1.1 多短路針加載短路面的原理

加載短路面的微帶天線是一種四分之一波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的微帶天線。相對(duì)于半波結(jié)構(gòu)矩形微帶天線，加載短路面天線的矩形微帶天線長(zhǎng)度縮小了一半。依據(jù)空腔模型法分析加載短路針矩形微帶貼片天線，在頻率不變的情況下，短路針加載前后的λg/2天線和λg/4天線的電場(chǎng)分布圖如圖1所示。由該圖可以更清楚直觀地了解短路針加載微帶貼片天線能實(shí)現(xiàn)小型化的原理。可以發(fā)現(xiàn)加載短路針的微帶天線是一種四分之一波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的微帶天線，天線中的電流在一個(gè)開(kāi)路端和另一個(gè)開(kāi)路端之間形成駐波，因此兩個(gè)開(kāi)路端之間有一條零電位線。利用多短路針在零電位線處對(duì)地短接形成短路面，從而人工造成了電壓節(jié)點(diǎn)，就可以形成開(kāi)路到短路的駐波結(jié)構(gòu)，這樣天線的尺寸就可以減小一半。

圖1 短路針加載前后天線電場(chǎng)分布對(duì)比圖Fig .1 Short circuit pin loading comparison chart

1.2 小型化短路遙測(cè)天線設(shè)計(jì)方法

由于短路針加載貼片天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而天線加載的設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的問(wèn)題，所涉及的變量包括加載位置、加載的組合形式等，是一個(gè)多變量復(fù)雜問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)可以依次從確定微帶天線貼片尺寸、頻率特性和阻抗匹配快速得到最佳參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。

本文小型化短路遙測(cè)天線設(shè)計(jì)方法按以下幾個(gè)步驟確定各參數(shù):

步驟1 根據(jù)工程需求和尺寸限制，確定天線基材采用介電常數(shù)εr和厚度t的介質(zhì)材料；確定天線工作頻段，依據(jù)空腔模型法，計(jì)算天線的尺寸。

步驟2 基于多短路針加載短路面的原理，天線的尺寸大約可以減小一半來(lái)初步確定有效輻射貼片尺寸W×L。

步驟3 加載多個(gè)短路針在輻射貼片的一邊緣形成一個(gè)加載短路陣列面，諧振頻率主要受貼片尺寸、厚度，短路探針的數(shù)量和位置以及短路針的直徑和短路針間距影響。依據(jù)空腔模型法，初步擬定饋電探針半徑Rt和位置參數(shù)(Tx，Ty)。利用計(jì)算機(jī)軟件優(yōu)化短路針參數(shù)調(diào)整矩形微帶貼片天線的諧振頻率特性確定的自由參數(shù)：第一短路針位置(Dx，Dy)、短路探針的數(shù)量N、短路針半徑Rz和短路針間距D。

步驟4 匹配天線的阻抗特性。加載短路針矩形微帶貼片天線的阻抗特性除了與前幾步相關(guān)參數(shù)有關(guān)外還與同軸饋電探針的位置(Tx，Ty)有關(guān)。在確定天線頻率特性后，保持前面參數(shù)不變的條件下，對(duì)饋電探針位置進(jìn)行優(yōu)化,得到匹配良好的阻抗特性。

由此，完成多短路針加載短路面的微帶天線設(shè)計(jì)。

2 天線結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的小型化共形短路遙測(cè)天線結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。根據(jù)工程需求和尺寸限制，選用介電常數(shù)εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介質(zhì)板做天線基板。

圖2 短路針加載示意圖Fig.2 Short circuit pin loading

圖2所示影印部分為天線基板正面印制矩形微帶輻射單元，其中寬為W,長(zhǎng)為L(zhǎng)；距離矩形微帶天線一邊緣配置一排短路針形成短路面，短路探針的數(shù)量為N、短路針半徑為Rz和短路針間距為D，最左邊第一顆定位短路釘位置為(Dx，Dy)；饋電探針半徑為Rt，距離下邊緣距離Ty。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化

1)彈載遙測(cè)系統(tǒng)工作頻段在2 250 MHz，介質(zhì)板選用介電常數(shù)εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介質(zhì)材料。依據(jù)空腔模型法，對(duì)不加短路針標(biāo)準(zhǔn)微帶矩形天線進(jìn)行計(jì)算。

矩形天線的非諧振邊的有效長(zhǎng)度Le為：

(1)

式(1)中，f為工作頻率，c為光速，εr為介電常數(shù)。計(jì)算得到Le=41.24 mm。

2)基于多短路針加載短路面的原理，天線的尺寸大約可以減小一半以及天線基材尺寸約束，初步選定多短路針加載短路面的小型共形遙測(cè)天線輻射片的寬(W)為21 mm,長(zhǎng)(L)為20.5 mm。

3)本文利用HFSS軟件優(yōu)化短路針參數(shù)調(diào)整矩形微帶貼片天線的諧振頻率特性。依據(jù)空腔模型法，初步擬定饋電探針半徑Rt=0.2 mm，距離下邊緣距離Ty=4 mm，饋電探針位置參數(shù)(Tx，Ty)=(0 mm，4 mm)。需要確定的自由參數(shù)有：第一短路針位置(Dx，Dy)、短路探針的數(shù)量N、短路針半徑Rz和短路針間距D。

計(jì)算機(jī)優(yōu)化過(guò)程均為約束優(yōu)化，相關(guān)參數(shù)約束條件為：

短路探針的數(shù)量N：3≤N≤10；

短路針半徑Rz：0.2 mm≤Rz≤1 mm；

左邊第一顆定位短路針位置(Dx，Dy)：0.2 mm≤Dx≤4 mm，0.2 mm≤Dy≤3 mm；

短路針間距D：0.6 mm≤D≤(W-0.8 mm)；

短路陣列面尺寸：0.7 mm×W≤(N-1)×D≤(W-0.8 mm)。

利用HFSS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行了仿真分析，尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后短路探針的數(shù)量N=9，微帶貼片尺寸參數(shù)W×L=21 mm×19.96 mm，短路針半徑Rz=0.28 mm，第一短路針位置(Dx，Dy)=(1.2 mm，0.8 mm)，短路針間距D=2.22 mm。

4)在保持微帶貼片尺寸參數(shù)W×L和短路探針參數(shù)(N、Rz、Dx、Dy、D)以及饋電探針半徑Rt不變的條件下，以饋線特性阻抗Z0為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)阻抗特性的饋電探針位置參數(shù)(Tx，Ty)=(0 mm，3.1 mm),達(dá)到最優(yōu)阻抗匹配，有效降低駐波比。

3 天線仿真及測(cè)試驗(yàn)證

3.1 小型化共形短路遙測(cè)天線的仿真

對(duì)小型化共形短路遙測(cè)天線進(jìn)行了建模與仿真設(shè)計(jì)，建立的天線單片模型如圖3。利用HFSS對(duì)天線進(jìn)行建模與仿真優(yōu)化參數(shù)后，得到天線電壓駐波比仿真圖，圖4為天線電壓駐波比仿真結(jié)果。由圖4所知，在中心頻率2 250 MHz處電壓駐波比為1.073；在(2 250±13)MHz 的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比≤2。

圖3 小型化共形短路遙測(cè)天線單元仿真模型圖Fig.3 Compact conformal short circuit telemetry

圖4 天線的電壓駐波比(VSWR)仿真曲線Fig.4 Antenna VSWR simulation curve antenna simulation model

圖5為采用兩片共形短路遙測(cè)天線對(duì)稱配置在金屬錐臺(tái)兩側(cè)的仿真分析模型圖。圖6、圖7為共形遙測(cè)天線陣H面和E面三維方向圖仿真結(jié)果。從仿真的結(jié)果來(lái)看，該兩片共形短路遙測(cè)天線對(duì)稱陣在中心頻率f=2 250 MHz時(shí)，增益G=0.53 dBi，實(shí)現(xiàn)了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(diǎn)，滿足全彈道遙測(cè)的需求。

圖5 金屬錐臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱配置的共形短路遙測(cè)天線陣模型圖Fig.5 Conformal short circuit telemetry antenna array simulation model

圖6 天線H面的仿真方向圖Fig.6 Simulation pattern of antenna H-plane

圖7 天線E面的仿真方向圖Fig.7 Simulation pattern of antenna E-plane

3.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證

該小型化共形短路遙測(cè)天線在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。圖8為共形短路遙測(cè)天線產(chǎn)品圖，圖9為天線電壓駐波比測(cè)試結(jié)果。由圖9可知在中心頻率2 250 MHz處電壓駐波比為1.176；在2 234～2 261 MHz的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比≤2，研制的小型化共形短路遙測(cè)天線測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)基本吻合。

圖8 共形短路遙測(cè)天線產(chǎn)品圖Fig.8 Conformal short circuit telemetry antenna

圖9 天線的電壓駐波比(VSWR)測(cè)試曲線Fig.9 Curve of the measured standing wave antenna

3.3 外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

研制的工程天線樣機(jī)具有良好的全向輻射性能，滿足全彈道遙測(cè)的需求。該天線具有體積小、易加工安裝、方向圖穩(wěn)定等特點(diǎn)。在外場(chǎng)試驗(yàn)中，進(jìn)行了以下驗(yàn)證：

1)試驗(yàn)樣機(jī)通過(guò)20 km拉距試驗(yàn)測(cè)試天線通信性能，結(jié)果表明天線性能指標(biāo)正常；

2)該天線產(chǎn)品在某高過(guò)載校射引信平臺(tái)應(yīng)用，全彈道北斗衛(wèi)星的位置、速度信息及時(shí)有效地傳回地面接收系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文提出了彈丸頭錐上小型化共形短路遙測(cè)天線及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該天線采用低介電常數(shù)柔性薄介質(zhì)基底材料實(shí)現(xiàn)彈載共形，基于多短路針加載短路面的原理，逐步優(yōu)化和確定了小型化共形短路遙測(cè)天線的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。采用兩片共形短路遙測(cè)天線對(duì)稱配置形成的微帶天線陣方向圖具有在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射特點(diǎn)。該天線外形尺寸為寬21 mm,長(zhǎng)20.5 mm，厚0.5 mm。仿真、測(cè)試與試驗(yàn)表明，彈丸頭錐上小型化共形短路遙測(cè)天線體積小、易加工安裝、方向圖穩(wěn)定且具有抗高過(guò)載能力。研究成果可應(yīng)用于小尺寸平臺(tái)的遙測(cè)和彈道修正彈的彈載共形微帶天線陣設(shè)計(jì)。