全金屬定向寬波束L波段干擾機天線陣列設計

陳沛林,蔚保國,鄭曉冬,付 野,郝青茹

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊 050081;2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,河北石家莊 050081)

現代戰爭中,衛星導航系統發揮著極大的作用,為武器平臺和系統提供定位導航授時服務。然而,衛星導航系統的信號又是非常微弱的,如GPS信號的最大接收功率不會超過-150 dBW,其各頻點接收功率一般在-162～-150 dBW[1],很容易受到干擾。因此,衛星導航系統的干擾和抗干擾系統成為全球各國爭相研究的目標[2-5]。從俄烏沖突的現狀來看,各類無人平臺的作戰能力突顯,衛星導航抗干擾終端成為標準配置。要對這類無人平臺的衛星導航系統形成有效反制,針對衛星導航的干擾機及天線自然成了研究重點[6-8]。

對于干擾天線特別是導航干擾天線的研究,主要關注天線頻段、增益、覆蓋范圍以及功率耐受度的提高。WU等[9]通過加載饋電圓盤,設計了一種帶有寄生條帶的高增益寬帶圓極化天線,這種天線體積小、質量輕,但受到功率容量限制,僅適用于小功率欺騙干擾。謝飛等[10]提出了一種寬帶八木天線,針對導航對抗,該天線采用雙頻雙饋方式,實現了高增益、質量輕和小型化,但其結構較為復雜,覆蓋帶寬相對較窄。張盛華等[11]為了滿足天線指標、保證加工精度、提升功率容量,研究并提出了波導縫隙陣列天線的結構和工藝改進措施,然而加工制備難度較大、成本較高。另外,干擾天線設計還需要考慮工作模式與干擾信號極化方式的匹配[12],并應用天線陣列提升輻射功率[13-14]。

單極子天線是一種經典的天線類型,具有很寬的頻帶,如果用于干擾機,具有覆蓋多個導航頻段的優勢,有許多學者研究寬頻帶的頂端加載單極子天線。NAKANO等[15]使用一個曲線單錐體和短路寄生環,達到了147%帶寬。SHEN等[16]通過單錐形天線和錐形底板相互配合,在7～12 GHz實現全向輻射。在后續工作中,NGUYEN-TRONG等[17]改進了結構和地板形狀的連續設計,擴展了全向輻射天線的帶寬。這些天線都具有較寬的頻帶和很好的全向輻射特性。

綜上所述,目前關于導航頻段干擾天線的設計研究大多難以兼顧功率容量、帶寬、結構、質量和輻射方向。本文針對此問題,分析歸納地面導航干擾機天線的設計思路和需求,提出加載背板以及頂端折疊的全金屬單極子天線陣列結構,并通過高頻電磁場有限元仿真實驗分析天線各結構調諧參數對S參數的影響來優化天線設計,從而實現干擾機天線的小型化、寬頻段、高增益、寬角度覆蓋以及高功率耐受度。

1 半全向干擾機天線設計

1.1 設計思路

干擾機天線作為干擾機非常重要的組成部分,其性能直接影響到干擾的范圍和效果。為對抗抗干擾天線,干擾機天線應滿足特殊要求[18-20]:1)要有明確的輻射范圍。比如從地面干擾無人機時,為了達到較大的覆蓋范圍,就需要天線向天線法向正仰角輻射,同時波束盡可能展寬。2)帶寬范圍要足夠寬。為了能夠應對多個頻段組合干擾的播發,針對衛星導航,需覆蓋1.1～1.7 GHz多個頻點。3)要極化匹配。天線設計要采用與干擾機輻射工作模式匹配的極化方式。衛星導航系統一般采用右旋圓極化的天對地輻射天線。對于機載干擾機,要實現高效率的干擾,干擾天線應當采用右旋圓極化。而對于地面或者車載干擾機,宜采用垂直極化,同樣可以達到良好的干擾效果。這樣設計的好處除了有利于干擾信號遠距離傳播外,還能夠適應機載導航天線低仰角的軸比惡化,以及機體遮擋、反射產生的復雜電磁環境。4)要耐高溫。為了達到較好的干擾效能,一般干擾機的功率比較大,必須考慮材料的耐受度,這是可靠性的必然要求,因此很多干擾機天線使用純金屬結構加工。5)要陣列化。隨著干擾源功率不斷提高,單天線難以滿足對平均發射功率的更高要求;同時為了實現一定程度的波束指向,應用陣列天線提升功率是很有必要的。總之,人們總是希望在有限功率的前提下,達到最優的干擾效果或者功率密度分布,這就要求天線的方向圖與應用場景高度匹配。

根據上述分析,地面干擾機天線應該具有高增益和寬角度覆蓋的方向圖特征。針對這樣的技術要求,需要設計一種具有單向和扁平的方向圖天線,且具有高功率耐受度。

高功率耐受度一般采用全金屬結構,而單極子天線則具有全向的方向圖。設計金屬背板加載的單極子天線可以使天線滿足半空間全向的功率覆蓋。但這種加載背板會對天線的駐波產生極大的影響,并且反射波和輻射波疊加會產生方向圖畸變。因此,本文對單極子天線的頂端加載進行折疊,不但增加了帶寬,還使得反射波和輻射波疊加方向圖得到了優化。另外,普通單極子天線在俯仰角上半波功率角度較大,因此對俯仰角上的天線排布采取了陣列的設計方法,排成了1×4的陣列,減小波束寬度的同時,提升了天線增益。

1.2 天線結構及其工作原理

干擾機天線的設計主要考慮高功率耐受度和定向波束寬角度覆蓋,這樣可以對敵方的導航系統產生最佳的干擾效果。微帶天線是一種典型的單向輻射天線,但微帶天線有其天然的缺點:首先,天線的帶寬較窄,很難覆蓋多個系統的導航頻段;其次,微帶天線有介質加載,耐高溫能力有限。而全金屬的單極子結構天線不包含介質結構,同時頻帶較寬,因此本文選擇其作為干擾機天線單元基本模型。天線陣列由1×4天線單元構成,圖1是全金屬干擾機天線單元模型示意圖,天線單元的尺寸如圖中標注所示。

圖1 全金屬干擾機天線單元模型示意圖Fig.1 Unit diagram of all-metal jammer antenna model

圖1 a)是天線的側視圖,從圖中可以看出天線是頂端加載的單極子結構。天線由下端的饋電點向上部進行饋電,饋電方式采用同軸結構,同軸線的外導體與地板相連接,而內導體則與頂端加載部分相連接。頂端加載部分單獨設計,主要設計目標是保持工作帶寬的同時,還要能夠實現加載背板后的單向輻射。從側邊看天線是矩形結構,相較于常規單極子天線,該結構可以降低單極子天線的剖面高度,并增加天線帶寬。

圖1 b)是天線的頂視圖,從圖中可以看到,天線是折線形結構。該折線結構相對于平板結構天線的設計,可以降低反射背板對天線阻抗和場的影響。眾所周知,單極子天線的輻射方向是全向的,而干擾機主要是對定向目標的輻射,同時盡可能減少對己方的輻射影響,因此需考慮將單極子天線振源向單向化改進。單極子天線增加側面背板可以實現場的單向化集中(如圖1 c)所示),但對原有的場影響很大,因為反射板的鏡像場跟原有的場會形成疊加,而疊加后的場有可能對原有的場產生不利影響,同時影響阻抗匹配。采用折線形平板結構可以增加諧振頻點,進而拓展天線的帶寬,同時優化天線尺寸和間距,使得天線的增益得到增加。

圖2是四陣元線形排布的天線陣列示意圖。該陣列主要是擴大俯仰角方向的尺寸,進而壓扁俯仰角方向圖,使天線的增益和功率耐受度同時得到提高。這樣,天線在方位角方向具有寬大的覆蓋范圍,而且由于俯仰角方向波束較窄,天線陣列可以保持較高的增益。

圖2 四陣元線形排布的天線陣列示意圖Fig.2 Linear array of four elements diagram

2 天線仿真優化分析

采用Ansys HFSS仿真軟件,對本文設計的天線陣列進行結構建模,并進行有限元仿真分析。通過觀察不同參數下天線輸入端的反射系數S11曲線以及天線方向圖,對天線性能指標進行優化調整分析。

2.1 S11與饋線高度的關系

討論模型中單極子天線饋線高度h對S11的影響。其他參數保持不變,設h的初始高度為3.0 mm。當h分別取值2.5,3.0,3.5 mm時,進行參數掃描分析,計算結果如圖3所示。可以看到,諧振頻率為0.87 GHz,當h越大時,S11越低,當h=3.5 mm時,S11可達-40 dB以下;而當h減小到2.5 mm時,S11在1.44 GHz出現了諧振點,此時S11=-24 dB。

圖3 反射系數S11與饋線高度h的關系Fig.3 Relationship between h and S11

2.2 S11與單極子天線高度的關系

討論模型中單極子天線高度L對S11的影響。其他參數保持不變,L的初始高度設為55.0 mm。當L分別為54.5,55.0,55.5 mm時,進行參數掃描分析,計算結果見圖4。從圖中可看到,當L變化時,S11不會線性變化,以55.0 mm為起始點,當L減小時,會使S11略微降低,但不明顯;當L增加時,S11會明顯降低。由圖4可得,L=55.5 mm時,諧振頻率為0.87 GHz,且S11最低,接近-35 dB。

圖4 反射系數S11與天線高度L的關系Fig.4 Relationship between L and S11

2.3 S11與單極子天線折臂寬度的關系

討論模型中單極子天線折臂寬度W1對S11的影響。其他參數保持不變,W1的初始高度設為13.0 mm。當W1分別為12.5,13.0,13.5 mm時,進行參數掃描分析,計算結果如圖5所示。從圖中可以看到,當W1增大時,曲線基本沒有變化,當W1減小時,S11降低,當W1=12.5 mm時,S11達到最低,低于-30 dB。

圖5 反射系數S11與天線折臂寬度W1的關系Fig.5 Relationship between W1 and S11

2.4 S11與單極子天線寬度的關系

討論模型中單極子天線寬度W2對S11的影響。其他參數保持不變,W2的初始寬度設為30.0 mm。當W2分別為29.5,30.0,30.5 mm時,進行參數掃描分析,計算結果如圖6所示。從圖中可以看到,當W2越大時,S11越低;當W2減小時,諧振頻率有向低頻移動的趨勢。

圖6 反射系數S11與天線寬度W2之間的關系Fig.6 Relationship between W2 and S11

綜上,通過對h,L,W1,W2分別進行參數掃描分析可知,當h減小到2.5 mm,反射系數S11的曲線在1.4 GHz附近出現一個新的諧振頻率,這個諧振點拓寬了天線在導航頻段的頻譜響應,可以提升天線在該頻段的增益,從而提升干擾機的工作效率;而對于L,W1,W23個參數而言,天線工作帶寬均存在最優值,最終可以作為模型的參數。因此,可得到優化后的天線尺寸為h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。

2.5 優化參數下的天線仿真分析

優化參數下的天線S11仿真結果如圖7所示。從圖中可以看到,天線阻抗帶寬覆蓋范圍為0.79～2.04 GHz,這個帶寬覆蓋了L波段中各導航頻點,大大超過了普通微帶天線的帶寬。

圖7 天線陣列S11曲線圖Fig.7 Antenna array S11 diagram

圖8為天線陣列的三維方向圖。天線陣列整體增益達到9.4 dB,具有前向、扁平的輻射方向。圖9是天線陣列二維方向圖,與圖8比較后可以看出,天線陣列在H面有158°的波束寬度,而在E面則有26°的波束寬度。從方向圖可以看出,該天線陣列方位波束寬度遠大于俯仰波束寬度,適合寬方位角度的干擾波束覆蓋。

圖8 天線陣列三維方向圖Fig.8 Antenna array 3D directional diagram

圖9 天線陣列二維方向圖Fig.9 Antenna array 2D directional diagram

相較于文獻[10]等所提的傳統八木天線,本文提出的天線帶寬覆蓋范圍大大增加,在L波段達到1.25 GHz的帶寬覆蓋范圍。同時,相較于傳統的微帶陣列天線實現方式,本文提出的全金屬單極子陣列天線結構簡單,成本更為低廉,功率容量更大。

3 結 語

為實現地面分布式導航干擾天線的高功率耐受度、寬頻段、寬角度覆蓋,本文設計了一種基于單極子天線的天線陣列。主要研究結論如下。

1)采用頂端加載金屬片結構,并對其進行折疊,然后加載金屬背板進行單向輻射增強,形成1×4線形排列的單極子垂直極化天線陣列,可以實現寬頻段、寬方位角度的定向集中輻射,對運動載體形成有效波束覆蓋。

2)優化后的天線尺寸為h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。在該尺寸下,天線陣列帶寬為0.79～2.04 GHz,最大增益達到9.4 dB,H面波束寬度為158°,E面波束寬度為26°。

3)相較于傳統微帶陣列天線,設計的全金屬定向寬波束L波段干擾機天線陣列不僅具備較大的功率容量,同時也具備較為簡單的小型化結構形式。

本文提出的全金屬結構、小型化的天線陣列設計,適用于針對低慢小無人機衛星導航終端的地面干擾設備,可為相關天線設計提供參考。但由于天線工作頻段僅局限于導航干擾頻段,未兼顧空中目標的其他業務頻段,未來可進一步通過調諧單元及陣列結構尺寸,組合、擴展工作頻段及帶寬,實現低慢小無人機的測控、圖傳和導航頻段的一體化干擾天線設計。