弹载共形遥测天线的设计*

周旭冉,高宝建,伍捍东,任宇辉

(1.西北大学 信息科学与技术学院，陕西 西安 710127 2.西安恒达微波技术开发公司，陕西 西安 710061)

无线电遥测是导弹系统测试的重要手段，在导弹的研制和发射试验中发挥着越来越重要的作用。而天线作为遥测系统的重要组成部分，其性能好坏直接影响着整个遥测系统的工作性能。所以人们对遥测天线的要求也越来越高，以尽可能地为评估导弹性能和分析故障提供精确的依据[1]。导弹在飞行过程中姿态变化大，运动速度快，天线单元必须采用易于共形的辐射单元。过去常采用的振子天线已无法满足外形要求。而微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易与载体共形等特点，无论在结构上还是在性能上都有很多优势，非常适合在导弹等高速飞行器上应用。

本文结合实际需求，研究设计了一种弹载共形微带天线。该天线与弹体表面共形，不影响弹体的空气动力学特性，并对其进行了性能仿真和试验研究。

1 天线设计

本文研究的共形微带天线，其工作波长及尺寸远小于所要共形的导弹载体半径，所以载体表面的曲率对天线单元性能的影响非常小。因此天线单元的设计可以采用一般平面微带天线设计理论和公式。但当贴片单元组成一个天线阵列并与曲面共形时，其反射系数和方向图还是会发生一定的变化，辐射特性也变得复杂。为了在阵列设计时计入曲面的影响，使用基于有限积分的“CST Microwave studio”电磁仿真软件对天线进行仿真和参数优化设计。

天线主要技术指标要求如下：

（1）天线工作频率：f0±20 MHz；

（2）天线驻波比：VSWR≤1.5；

（3）天线增益：Gain≥8 dBi；

（4）极化方式：线极化。

1.1 微带天线单元设计

本文采用的微带天线由接地层、介质层、贴片层和防护罩层组成。微带辐射单元结构如图1所示，微带天线通过馈电方向的两个边缘进行辐射，单元阻抗由中到边缘逐渐变大。采用开槽的形式[2]，把馈线深入贴片天线内部，通过调整馈线插入深度，使馈线与贴片单元达到良好的阻抗匹配。

1.1.1 介质基板的确定

在进行微带贴片天线单元设计时，需首先做好介质基片材料 (介电常数 εr和介质损耗正切角tanδ)的选择及厚度h的确定，它们直接影响微带天线的尺寸、重量、方向性、频带等性能[3]。

值得指出的一点是，在安装空间受限以及低剖面要求的弹载应用场合，增加介质基片厚度h可以展宽天线带宽，但基片厚度过大则会引起表面波的明显激励，表面波达到基片边沿时产生反射散射，导致天线增益下降，交叉极化增大，辐射效率降低。因此要综合考虑确定。

根据天线的技术指标要求，设计过程中贴片层和接地层都采用厚度t=0.018 mm的铜箔，介质层采用介电常数εr=6、厚度h=1.0 mm、损耗正切 tanδ≤0.001的微波复合介质。

1.1.2 微带单元尺寸的确定

阵元宽度W的尺寸影响着微带天线的方向函数、辐射电阻以及输入阻抗，从而影响着微带天线的频带宽度和辐射效率[4]。阵元宽度可由式(1)计算得到：

式中c为光速,f0为谐振频率。

微带贴片天线的长度由式(2)确定

△L为等效伸长长度，εe为考虑了介质罩的有效介电常数。

根据上述公式，采用所选择的介质基板便可以计算贴片单元的大小。使用基于CST仿真软件，进行仿真、优化得到天线的结构参数选取如下:贴片宽度17.8 mm,贴片长度13.5 mm，馈线插入深度4.1 mm，馈线宽度1.5 mm。

1.2 微带 2×2阵列设计

微带贴片单元的增益一般只有4 dBi左右。为了获得更大的增益，或者说是为了实现特定的方向性，通常采用由微带贴片辐射单元组成的微带阵列天线[5]。因此，本文在所要求的60 mm×60 mm尺寸范围内，同时又考虑到天线的效率问题，采用了4个辐射单元组成一个2×2的微带阵。设计的微带阵列和功分网络如图2所示。

微带天线阵的馈电网络主要是保证各阵元所要求的激励振幅和相位,以便形成所要求的方向图,或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的要求是阻抗匹配、损耗小、结构简单等。

根据以上所述,天线阵采用并联等幅同相等功率馈电[6]，馈电网络由T型等分功分器组成，功分器采用多节阻抗匹配枝节设计，使调试简单方便。整个天线阵采用同轴SMA接头,为了达到与接头 50 Ω阻抗匹配，还需要利用四分之一阻抗匹配段来调配天线阵输入阻抗。

1.3 天线罩的设计

为了更好地使天线整体与飞行器外形一体化，将天线罩也做成与弹体具有相同的曲率，使天线与弹体融为一体。考虑到飞行器时速低于2马赫，天线罩最高温升为135℃，同时考虑风速压力、冰雹、雨雪冲击载荷等因素，因此采用平滑刚性结构，选择聚四氟乙烯玻璃布板作为天线罩的材料，耐温可达200℃，天线罩厚度可用下式计算：

其中θ0为电磁波照射天线罩的入射角。

2 天线阵仿真及测试结果分析

基于以上设计，用电磁仿真软件CST对天线阵进行仿真、优化，并根据优化结果制作了天线阵实物样件。天线实物样件模型如图3所示。

天线的电压驻波比采用标量网络分析仪HP8757C测量，测量结果如图4所示。其中图4(a)是仿真得到的驻波曲线，图4(b)是测量得到的驻波曲线。

从图4可以看出，天线在±20 MHz的频带内电压驻波比都小于1.5,满足天线设计要求。实测结果与仿真结果基本吻合,但是实测结果中谐振点稍微往高频偏移，两者存在的偏差主要是由天线的加工误差、测量误差、接头焊接误差和仿真计算误差所引起的。

最后在微波暗室通过天线测试系统对天线的辐射方向图和增益进行了测试，测试结果如图5所示。

图5(a)给出了天线阵在中心频率处仿真与实测的H面远场方向图，图5(b)给出了仿真与实测的E面方向图。

图5中实线代表仿真值，虚线代表实测值。可以清楚地看到，实测方向图与仿真方向图吻合良好。H面方向图对称性较好，而E面的方向图稍显不对称，这是由于整个天线的馈电点同轴SMA接头不在正中心位置，对于E面是不对称的。

采用标准增益天线比较法测试得到天线在中心频率的增益为8.4 dBi,而仿真得到的增益为8.9 dBi，该天线增益的实测值与仿真值也是大致接近的，稍有偏差是由于在仿真建立模型时，微波介质损耗因子的设置比实际的要小，而介质损耗大必然使辐射效率降低，从而使增益降低。

综合运用单层微带贴片结构和T型功分器馈电技术，并结合高频电磁仿真软件CST设计了一个四元弹载共形微带天线阵。设计的天线阵体积小、结构简单、调试方便。实测天线阵在±20 MHz的频带内驻波比均小于1.5，最大增益8.4 dBi，测试结果与仿真结果吻合较好。该天线阵电性能和辐射特性良好，可以满足遥测天线的使用需求。

[1]李志勇.微带共形天线阵在遥测系统中的设计应用[J].航空兵器,2009(4):28-29.

[2]赵菲.基于子阵合成技术的微带天线阵设计[C].全国天线年会,2009:158-159

[3]康德地.箭载共形相控阵天线设计仿真与测试[J].飞行器测控学报,2010,29(2):1-2.

[4]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,1991.

[5]廖学介.一种用于海事卫星通信的微带阵列天线的设计[C].全国天线年会,2009:278-279.

[6]姜兴.64元Ku波段宽频带高增益微带天线阵设计[J].微波学报,2008,24(增刊):118-119.