周旭冉,高寶建,伍捍東,任宇輝

(1.西北大學 信息科學與技術學院，陜西 西安 710127 2.西安恒達微波技術開發(fā)公司，陜西 西安 710061)

無線電遙測是導彈系統(tǒng)測試的重要手段，在導彈的研制和發(fā)射試驗中發(fā)揮著越來越重要的作用。而天線作為遙測系統(tǒng)的重要組成部分，其性能好壞直接影響著整個遙測系統(tǒng)的工作性能。所以人們對遙測天線的要求也越來越高，以盡可能地為評估導彈性能和分析故障提供精確的依據(jù)[1]。導彈在飛行過程中姿態(tài)變化大，運動速度快，天線單元必須采用易于共形的輻射單元。過去常采用的振子天線已無法滿足外形要求。而微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等特點，無論在結構上還是在性能上都有很多優(yōu)勢，非常適合在導彈等高速飛行器上應用。

本文結合實際需求，研究設計了一種彈載共形微帶天線。該天線與彈體表面共形，不影響彈體的空氣動力學特性，并對其進行了性能仿真和試驗研究。

1 天線設計

本文研究的共形微帶天線，其工作波長及尺寸遠小于所要共形的導彈載體半徑，所以載體表面的曲率對天線單元性能的影響非常小。因此天線單元的設計可以采用一般平面微帶天線設計理論和公式。但當貼片單元組成一個天線陣列并與曲面共形時，其反射系數(shù)和方向圖還是會發(fā)生一定的變化，輻射特性也變得復雜。為了在陣列設計時計入曲面的影響，使用基于有限積分的“CST Microwave studio”電磁仿真軟件對天線進行仿真和參數(shù)優(yōu)化設計。

天線主要技術指標要求如下：

（1）天線工作頻率：f0±20 MHz；

（2）天線駐波比：VSWR≤1.5；

（3）天線增益：Gain≥8 dBi；

（4）極化方式：線極化。

1.1 微帶天線單元設計

本文采用的微帶天線由接地層、介質層、貼片層和防護罩層組成。微帶輻射單元結構如圖1所示，微帶天線通過饋電方向的兩個邊緣進行輻射，單元阻抗由中到邊緣逐漸變大。采用開槽的形式[2]，把饋線深入貼片天線內部，通過調整饋線插入深度，使饋線與貼片單元達到良好的阻抗匹配。

1.1.1 介質基板的確定

在進行微帶貼片天線單元設計時，需首先做好介質基片材料 (介電常數(shù) εr和介質損耗正切角tanδ)的選擇及厚度h的確定，它們直接影響微帶天線的尺寸、重量、方向性、頻帶等性能[3]。

值得指出的一點是，在安裝空間受限以及低剖面要求的彈載應用場合，增加介質基片厚度h可以展寬天線帶寬，但基片厚度過大則會引起表面波的明顯激勵，表面波達到基片邊沿時產生反射散射，導致天線增益下降，交叉極化增大，輻射效率降低。因此要綜合考慮確定。

根據(jù)天線的技術指標要求，設計過程中貼片層和接地層都采用厚度t=0.018 mm的銅箔，介質層采用介電常數(shù)εr=6、厚度h=1.0 mm、損耗正切 tanδ≤0.001的微波復合介質。

1.1.2 微帶單元尺寸的確定

陣元寬度W的尺寸影響著微帶天線的方向函數(shù)、輻射電阻以及輸入阻抗，從而影響著微帶天線的頻帶寬度和輻射效率[4]。陣元寬度可由式(1)計算得到：

式中c為光速,f0為諧振頻率。

微帶貼片天線的長度由式(2)確定

△L為等效伸長長度，εe為考慮了介質罩的有效介電常數(shù)。

根據(jù)上述公式，采用所選擇的介質基板便可以計算貼片單元的大小。使用基于CST仿真軟件，進行仿真、優(yōu)化得到天線的結構參數(shù)選取如下:貼片寬度17.8 mm,貼片長度13.5 mm，饋線插入深度4.1 mm，饋線寬度1.5 mm。

1.2 微帶 2×2陣列設計

微帶貼片單元的增益一般只有4 dBi左右。為了獲得更大的增益，或者說是為了實現(xiàn)特定的方向性，通常采用由微帶貼片輻射單元組成的微帶陣列天線[5]。因此，本文在所要求的60 mm×60 mm尺寸范圍內，同時又考慮到天線的效率問題，采用了4個輻射單元組成一個2×2的微帶陣。設計的微帶陣列和功分網絡如圖2所示。

微帶天線陣的饋電網絡主要是保證各陣元所要求的激勵振幅和相位,以便形成所要求的方向圖,或者使天線性能某項指標最佳。對饋電網絡的要求是阻抗匹配、損耗小、結構簡單等。

根據(jù)以上所述,天線陣采用并聯(lián)等幅同相等功率饋電[6]，饋電網絡由T型等分功分器組成，功分器采用多節(jié)阻抗匹配枝節(jié)設計，使調試簡單方便。整個天線陣采用同軸SMA接頭,為了達到與接頭 50 Ω阻抗匹配，還需要利用四分之一阻抗匹配段來調配天線陣輸入阻抗。

1.3 天線罩的設計

為了更好地使天線整體與飛行器外形一體化，將天線罩也做成與彈體具有相同的曲率，使天線與彈體融為一體。考慮到飛行器時速低于2馬赫，天線罩最高溫升為135℃，同時考慮風速壓力、冰雹、雨雪沖擊載荷等因素，因此采用平滑剛性結構，選擇聚四氟乙烯玻璃布板作為天線罩的材料，耐溫可達200℃，天線罩厚度可用下式計算：

其中θ0為電磁波照射天線罩的入射角。

2 天線陣仿真及測試結果分析

基于以上設計，用電磁仿真軟件CST對天線陣進行仿真、優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結果制作了天線陣實物樣件。天線實物樣件模型如圖3所示。

天線的電壓駐波比采用標量網絡分析儀HP8757C測量，測量結果如圖4所示。其中圖4(a)是仿真得到的駐波曲線，圖4(b)是測量得到的駐波曲線。

從圖4可以看出，天線在±20 MHz的頻帶內電壓駐波比都小于1.5,滿足天線設計要求。實測結果與仿真結果基本吻合,但是實測結果中諧振點稍微往高頻偏移，兩者存在的偏差主要是由天線的加工誤差、測量誤差、接頭焊接誤差和仿真計算誤差所引起的。

最后在微波暗室通過天線測試系統(tǒng)對天線的輻射方向圖和增益進行了測試，測試結果如圖5所示。

圖5(a)給出了天線陣在中心頻率處仿真與實測的H面遠場方向圖，圖5(b)給出了仿真與實測的E面方向圖。

圖5中實線代表仿真值，虛線代表實測值。可以清楚地看到，實測方向圖與仿真方向圖吻合良好。H面方向圖對稱性較好，而E面的方向圖稍顯不對稱，這是由于整個天線的饋電點同軸SMA接頭不在正中心位置，對于E面是不對稱的。

采用標準增益天線比較法測試得到天線在中心頻率的增益為8.4 dBi,而仿真得到的增益為8.9 dBi，該天線增益的實測值與仿真值也是大致接近的，稍有偏差是由于在仿真建立模型時，微波介質損耗因子的設置比實際的要小，而介質損耗大必然使輻射效率降低，從而使增益降低。

綜合運用單層微帶貼片結構和T型功分器饋電技術，并結合高頻電磁仿真軟件CST設計了一個四元彈載共形微帶天線陣。設計的天線陣體積小、結構簡單、調試方便。實測天線陣在±20 MHz的頻帶內駐波比均小于1.5，最大增益8.4 dBi，測試結果與仿真結果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可以滿足遙測天線的使用需求。

[1]李志勇.微帶共形天線陣在遙測系統(tǒng)中的設計應用[J].航空兵器,2009(4):28-29.

[2]趙菲.基于子陣合成技術的微帶天線陣設計[C].全國天線年會,2009:158-159

[3]康德地.箭載共形相控陣天線設計仿真與測試[J].飛行器測控學報,2010,29(2):1-2.

[4]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1991.

[5]廖學介.一種用于海事衛(wèi)星通信的微帶陣列天線的設計[C].全國天線年會,2009:278-279.

[6]姜興.64元Ku波段寬頻帶高增益微帶天線陣設計[J].微波學報,2008,24(增刊):118-119.