陳 偉，文瑞虎，范 永

(機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

【信息科學(xué)與控制工程】

小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線

陳 偉，文瑞虎，范 永

(機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

針對(duì)傳統(tǒng)單極子天線在X波段體積大，不利于常規(guī)炮彈引信小型化的問(wèn)題，提出了小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線。該天線的輻射單元采用空心棒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐形過(guò)渡結(jié)構(gòu)與同軸饋線連接，輻射單元內(nèi)嵌在介質(zhì)套筒中與拋物面底板通過(guò)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)咬合固定。測(cè)試表明：天線尺寸相對(duì)于傳統(tǒng)單極子天線減小30%，帶寬增大50%。該天線有利于引信的小型化，可以應(yīng)用于多種無(wú)線電探測(cè)引信中。

無(wú)線電近炸引信；單極子天線 ；介質(zhì)加載；小型化

近年來(lái)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜化對(duì)無(wú)線電近炸引信提出了越來(lái)越高的要求，其中微小型化是引信發(fā)展的重要方向。天線作為無(wú)線電近炸引信的重要部件，其性能好壞直接決定了整個(gè)引信系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)引信微小型化的前提是實(shí)現(xiàn)天線的小型化[1]。在引信系統(tǒng)使用的天線中，單極子天線由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全向輻射等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于引信系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)線型和面型單極子天線在X波段尺寸較大[2-3]，不利于引信小型化，而天線性能對(duì)天線長(zhǎng)度特別敏感，天線尺寸與波長(zhǎng)的比值往往對(duì)天線輻射特性起決定性作用，減小天線尺寸往往意味著頻帶寬度、增益和輻射效率等參數(shù)指標(biāo)降低[4-5]，故在傳統(tǒng)的單極子天線基礎(chǔ)上，單純減小天線尺寸以實(shí)現(xiàn)小型化不能滿足要求。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線。

1 傳統(tǒng)單極子天線

傳統(tǒng)單極子天線分為線型和面型兩種，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。傳統(tǒng)線型單極子天線由垂直于地面的銅線構(gòu)成，這種天線用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體延長(zhǎng)為輻射體,同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)壁電流與內(nèi)導(dǎo)體電流同向，構(gòu)成了輻射體的一部分，同軸線外導(dǎo)體內(nèi)壁電流與內(nèi)導(dǎo)體電流大小相等、方向相反，起到傳輸線的作用[6]，銅線長(zhǎng)度L決定了單極子天線本身的方向圖。

傳統(tǒng)面型單極子天線是將線天線中的銅線換為金屬面，由于較線天線具有高的強(qiáng)度，可以適應(yīng)大的過(guò)載，是目前主要應(yīng)用的天線。無(wú)論是線天線還是面天線，其原理都相同，銅線的長(zhǎng)度決定了天線本身的方向圖。

傳統(tǒng)線型單極子天線帶寬受銅線截面積與直線長(zhǎng)度比值R/L的影響，其-10 dB帶寬一般在10%～20%，當(dāng)天線長(zhǎng)度不變，天線帶寬隨著銅線直徑變大而變寬，這主要是由于電流區(qū)域的擴(kuò)張導(dǎo)致輻射電阻變大。基于這種增加輻射單元表面積的思想，常規(guī)單極子天線中的銅線被平面銅板取代，繼而產(chǎn)生了平面單極子天線。通過(guò)這種技術(shù)單極子天線的帶寬得劍了明顯的展寬。實(shí)際應(yīng)用中，可將面輻射單元的形狀設(shè)計(jì)成方形、圓形、三角形、梯形以及“帽”形[7-8]。

圖1 傳統(tǒng)線型單極子天線結(jié)構(gòu)

圖2 傳統(tǒng)平面型單極子天線

天線的方向圖函數(shù)為

(1)

為滿足探測(cè)器45°落角要求，且天線主波瓣對(duì)地面目標(biāo)垂直照射，使得目標(biāo)回波功率最大。本研究需要設(shè)計(jì)天線主波束與法線夾角為45°，故天線設(shè)計(jì)要求為：天線工作頻率8 GHz，與法線夾角45°。天線輻射方向如圖3所示。

圖3 天線輻射方向圖

圖4 單極子接地天線垂直平面方向圖(極坐標(biāo))

天線性能對(duì)天線長(zhǎng)度特別敏感，天線尺寸與波長(zhǎng)的比值往往對(duì)天線輻射特性起決定作用，減小天線尺寸往往意味著頻帶寬度、增益和輻射效率等參數(shù)指標(biāo)降低，故在傳統(tǒng)的單極子天線基礎(chǔ)上，單純減小天線尺寸以實(shí)現(xiàn)小型化不能滿足要求。

2 小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線

針對(duì)常規(guī)炮彈無(wú)線電引信的特定外形，結(jié)合傳統(tǒng)單極子天線的設(shè)計(jì)理論，本文通過(guò)介質(zhì)加載，饋電與天線輻射單元的錐形過(guò)渡和對(duì)天線地板采用拋物面等方法，通過(guò)在全波電磁仿真軟件HFSS中建模仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線。

小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，由天線輻射單元、同軸饋線、介質(zhì)套筒、底板和將介質(zhì)套筒和地板咬合的臺(tái)狀固定結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)同軸饋線對(duì)天線輻射單元進(jìn)行饋電，天線輻射單元將電流以電磁波的方式向空間輻射，通過(guò)調(diào)整輻射單元的高度、半徑、介質(zhì)套筒的外形和介電常數(shù)、金屬底板的拋物面弧度完成天線理想工作頻率和方向圖的設(shè)計(jì)。

圖4 小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線

首先根據(jù)天線的方向圖函數(shù)式(1)，計(jì)算理想方向圖下的單極子天線長(zhǎng)度h,本文通過(guò)介質(zhì)加載技術(shù)減小天線尺寸，天線的縮短系數(shù)為F

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)求得小型化單極子天線的長(zhǎng)度h。

天線輻射單元采用空心棒狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有效減少了天線的質(zhì)量，通過(guò)錐形過(guò)渡結(jié)構(gòu)將天線輻射單元同同軸饋線連接，達(dá)到阻抗匹配，有效提高天線的工作帶寬。

金屬地板與套筒采用臺(tái)狀結(jié)構(gòu)咬合固定，并且金屬地板內(nèi)表面采用拋物面，該結(jié)構(gòu)具有抑制天線輻射單元電磁場(chǎng)繞射，減小天線后向輻射和增大同介質(zhì)套筒接觸面積減小過(guò)載垂直分量的作用，提高了天線的抗高過(guò)載能力。

該天線的輻射單元采用空心棒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐形過(guò)渡結(jié)構(gòu)與同軸饋線連接，輻射單元內(nèi)嵌在介質(zhì)套筒中與拋物面底板通過(guò)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)咬合固定。該天線的輻射單元采用空心棒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐形過(guò)渡結(jié)構(gòu)與同軸饋線連接，輻射單元內(nèi)嵌在介質(zhì)套筒中與拋物面底板通過(guò)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)咬合固定，大大減小天線尺寸，滿足小型化要求。

3 仿真及實(shí)物測(cè)試

3.1 天線仿真

本文設(shè)計(jì)了小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線，根據(jù)理論計(jì)算初值在全波電磁仿真軟件HFSS中建模，如圖5所示。通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化得到理想工作頻率和方向圖的天線模型。

圖5 小型化單極子天線HFSS模型

天線輻射單元半徑6.4 mm，高16 mm，輻射單元同同軸饋線之間的錐形過(guò)渡部分高6.4 mm，同軸饋線半徑0.4 mm，介質(zhì)套筒高16 mm,上下半徑分別為7 mm和12 mm，地板拋物面半徑12mm，高5 mm，介質(zhì)套筒選用介電常數(shù)4，損耗角正切值為0.001的聚四氟乙烯。

從圖6駐波比仿真結(jié)果看出：在6.69～9.96 GHz,3.27 GHz帶寬內(nèi)駐波比小于2，說(shuō)明該天線在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，可以實(shí)現(xiàn)能量的最大化傳輸，滿足天線設(shè)計(jì)需求。

圖6 天線輸入端口駐波比仿真結(jié)果

圖7為天線的E面仿真方向圖，從仿真結(jié)果可以看出天線最大增益4.87dB，與法線夾角46°，半波束寬度44°。

圖7 E面方向圖仿真結(jié)果

3.2 實(shí)物測(cè)試

根據(jù)理論計(jì)算和仿真優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實(shí)物加工，如圖8所示，并對(duì)實(shí)物天線進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測(cè)試。

圖8 小型化單極子天線實(shí)物

天線輻射單元半徑6.4 mm，高16 mm，輻射單元同同軸饋線之間的錐形過(guò)渡部分高6.4 mm，同軸饋線半徑0.4 mm，介質(zhì)套筒高16 mm,上下半徑分別為7 mm和12 mm，地板拋物面半徑12 mm，高5 mm，介質(zhì)套筒選用介電常數(shù)4，損耗角正切值為0.001的聚四氟乙烯，比傳統(tǒng)引信用單極子天線尺寸減小30%，有利于引信的小型化。

對(duì)天線通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試其電壓反射參數(shù)。圖9所示為天線輸入端口駐波比測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果看出在7.005～10 GHz，2.995 GHz帶寬內(nèi)，反射參數(shù)小于-10 dB，即電壓駐波比小于2，說(shuō)明該天線在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，可以實(shí)現(xiàn)能量的最大化傳輸，與仿真結(jié)果基本一致。

將天線置于電波暗室中，對(duì)天線進(jìn)行E面方向圖測(cè)試。

圖9 天線輸入端口駐波比測(cè)試結(jié)果

圖10所示為天線的E面方向圖微波暗室測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果可以看出天線最大增益4.8 dB，與法線夾角46°，半波束寬度44°，與仿真結(jié)果一致。

以上測(cè)試可見(jiàn)，該天線在7.005～10 GHz，2.995 GHz帶寬內(nèi)，反射參數(shù)小于-10 dB，即電壓駐波比小于2，天線最大增益4.8dB，與法線夾角46°，半波束寬度44°，尺寸相對(duì)于傳統(tǒng)單極子天線減小30%，帶寬增大50%，滿足實(shí)際需求。

圖10 天線E面方向圖測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線，輻射單元采用空心棒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)錐形過(guò)渡結(jié)構(gòu)與同軸饋線連接，輻射單元內(nèi)嵌在介質(zhì)套筒中與拋物面形狀的底板通過(guò)臺(tái)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行咬合固定。根據(jù)仿真結(jié)果，加工了實(shí)物。天線高16 mm，半徑12 mm，比傳統(tǒng)引信用單極子天線尺寸減小30%，對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，天線在7.005～10 GHz內(nèi)具有2.995 GHz帶寬，工作帶寬增大；天線最大增益4.87 dB，與法線夾角46°，半波束寬度44°。該小型化單極子天線增益滿足需求，尺寸相對(duì)于傳統(tǒng)單極子天線減小30%，帶寬增大50%，有利于引信的小型化，可以應(yīng)用于多種無(wú)線電探測(cè)引信中。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Miniaturized X Band Dielectric Loaded Monopole Antenna

CHEN Wei, WEN Rui-hu, FAN Yong

(National Key Laboratory of Electromechanical Engineering and Control, Xi’an 710065, China)

For solving the problem that traditional X-band monopole antenna has large volume, which is not suitable for conventional shell fuze miniaturization, we proposed miniaturized X band dielectric loaded monopole antenna. The radiation unit of the antenna used hollow rod like structure, and through the coaxial feeder connection, radiation unit was embedded in the bottom plate of the medium sleeve with a parabolic shape through shaped structure to bite fixed. The test shows that the antenna size relative to the conventional monopole antenna is reduced by 30%,increasing 50% bandwidth, for fuze miniaturization can applied to a variety of radio detection fuze.

radio proximity fuze; monopole antenna; medium loading; miniaturized

2016-09-22；

2016-11-12 作者簡(jiǎn)介：陳偉(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事天線設(shè)計(jì)與微波研究。

10.11809/scbgxb2017.03.029

陳偉，文瑞虎，范永.小型化X波段介質(zhì)加載單極子天線[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):125-128.

format:CHEN Wei, WEN Rui-hu, FAN Yong.Miniaturized X Band Dielectric Loaded Monopole Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):125-128.

TN823+.18

A

2096-2304(2017)03-0125-04