近炸引信中的开槽共形定向微带天线

狄 萃，赵惠昌，杨云星

（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

0 引言

近炸引信是探测目标附近含有目标信息的物理场而作用的引信。近炸引信不需弹丸直接碰撞目标而作用，因此在近炸引信系统中天线区别与其他引信天线，其方向图为斜向辐射［1］。微带天线具有形面低、重量轻、共形性好、成本低、可以比较自由和充分地利用弹体表面或空间、安装时并不影响弹体的结构强度，便于实现装置的小型化等一些突出的优点［2］，因此微带天线比较适用于作多种弹型上的无线电引信天线。

目前我国在无线电近炸引信中，采用微带天线来探测和识别目标，提高战术导弹的性能。采用终端接匹配负载的巨型微带行波阵形式，可实现天线主峰倾角值偏离天线阵轴30°，在400 MHz带宽内最大增益值大于10dB 宽频带、高增益弹上引信天线［3］；通过加载电阻实现天线的小型化和宽频带性能，实现与弹体的共形，其天线相对带宽可达13.5%［4］；应用微带线高阶模式的辐射特性设计微带漏波天线，设计开发频率更高（毫米波）、更易于加工和便于与有源器件集成的弹载引信天线［5］等等。但是通常的传统微带贴片天线主要是一种谐振式天线，相对带宽较窄，常规设计的微带天线带宽一般不到3%［6］，且天线为半空间辐射结构。本文针对近炸引信中贴片微带天线带宽窄及定向辐射性能差的问题，提出了与弹体共形的具有侧向辐射、宽频带的微带天线。

1 共形定向微带天线原理

天线及天线罩结构如图1所示。该天线是单层结构，正反两面采用金属贴片作为辐射单元［7］。激励贴片位于相对介电常数εr=2.52，损耗角正切tan δ=0.001 5，厚度h=1mm 的介质基片上，由微带线进行馈电。

图1 天线及天线罩结构示意图Fig.1 Schematicdiagram of antenna and radome

天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气上具有良好的电磁辐射透过性能，在结构上能经受外部恶劣环境的作用。这种结构在低于谐振频率及某些高于谐振频率的频段是非透明的，而在谐振频率上是透明［8］的，也就是说在谐振点处，对其辐射影响较小。在实际应用中，不同天线罩的材料对天线性能会有影响，应根据天线谐振频率及外部环境，选择合适材料的天线罩，使其透波性能较好。

天线输入阻抗与特性阻抗的匹配可由馈电点位置的选择来实现，馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，但在保持主模工作的条件下，辐射方向图仍然保持不变，通过稍微改变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移［9］。

文中关于天线小型化采用的是表面开槽技术［10］，即通过在微带贴片的表面开不同形式的槽或细缝，改变贴片表面的电流密度分布，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，从而使贴片的等效长度大于其物理长度，降低谐振频率达到小型化。为了达到宽频带的效果［11］，可采取增大基片厚度，或降低基片相对介电常数等方法，也可以采用多层结构的天线，但文中采用的方法是将贴片做成不同于矩形或者圆形的形状，并且尝试在开槽的技术上，加入寄生贴片。根据曲流原理：通过弯曲天线贴片表面积你电流的路径，可以使常规形状的贴片天线表面电流路径弯曲，这样就增加了天线贴片的有效长度，缩小了天线尺寸［12］，且增大了天线带宽。

2 开槽和寄生贴片对天线特性的影响

当天线的参数固定下后，将内部正方形槽边长作为变量a，改变a的取值，观察其对天线特性的影响。天线参数尺寸如表1所示。

表1 天线各参数尺寸Tab.1 The size of the antenna parameters mm

图2 a对天线特性的影响Fig.2 The influence of aon the characteristics of antenna

3 仿真及测试结果分析

3.1 天线的仿真及结果

结合上面的分析，其他参数保持不变，a 取值为9mm，在CST 中建立好仿真模型后，仿真得到的结果如下：图4为天线S11参数，图5为a=9mm 时，天线在7.7 GHz处的E 面、H 面方向图，其中图5（a）为E面方向图，图5（b）为H 面方向图。

图3 寄生贴片对天线性能的影响Fig.3 The influence of parasitic patch onthe characteristics of antenna

图4 S11参数曲线Fig.4 S11parametric curve

图5 天线在7.7GHz处方向图Fig.5 Radiation pattern in 7.7GHz

3.2 天线的实际测试及结果

根据天线的设计和仿真优化出的尺寸，自己加工了天线的实物样件，并对样件进行了电参数测量。图6为天线实物样件。

天线的S11参数采用矢量网络分析仪测量，而辐射方向图和增益在微波暗室通过天线测试系统测得。下面对仿真结果和实际测量的数据进行了对比分析。图7给出了共形引信微带天线S11参数的仿真结果和测试结果。从图中可以看出实测结果与仿真结果基本吻合，但是实测结果在7.7GHz频率处稍微往高频偏移，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。

图8是该天线在中心频率7.7GHz附近的实测仿真方向图，图中列出了在7.4GHz、7.6GHz、7.8GHz处的方向图对比。由图可以看出，围绕中心频率的一定宽带范围内，方向图是比较稳定的，都具有侧向辐射性能，增益将近5dB。实测方向图与仿真方向图吻合良好。

4 结论

本文提出了一种应用于无线电引信中的高频、宽带、侧向辐射的共形定向微带天线。该天线贴片形状不同于传统的规则图形，通过开槽并加入寄生贴片的思想，将设计的天线性能得到优化。根据仿真结果加工制作了实际的天线样件，并对天线的S11参数和辐射增益方向图进行了测量。测试结果表明，天线在中心频率7.7GHz的附近1GHz宽带范围内，S11参数低于-10dB，匹配良好，且实测方向图与仿真方向图较为吻合，具有侧向辐射性能，满足天线的使用要求，及实际应用的近炸引信要求。

图6 共形引信天线实物图Fig.6 The physical map of fuze conformal antenna

图7 共形引信微带天线S11参数的仿真和测试结果Fig.7 The simulation and test results of fuze conformal microstripantenna for the S11parameter

图8 实测方向图Fig.8 Radiation pattern of practical test

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