底层开槽宽频带微带引信天线

韩东波，张玉波，刘瑶华

（1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065；2.解放军驻二九六厂军代室，重庆400054）

0 引言

微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、低成本和易共形等优点，已得到广泛应用，特别适合用作移动卫星通信的小型移动终端天线和飞行器机载天线。随着这些系统的发展，对天线的覆盖范围提出了越来越高的要求。

无线电近炸引信对微带探测器有高电气性能、高可靠性、高强度的要求，当前国内中大口径弹丸以S波段的常规弹药引信为主，因此，设计一种适合于大中口径弹丸的微波无线电近炸引信用的微带探测器就显得尤为重要，而微带天线又是微带探测器中的一个重要组成部分，通常微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽较窄、增益较低，波束较窄，带宽的限制使得普通微带天线难以应用到宽频无线电引信上。

为了加宽微带天线的带宽，Vivek 通过实验的方法研究了开几种不同的耦合槽对天线耦合量的影响，实验证明沿馈点方向的底层开槽可以得到较大的耦合量，使得电抗性能在一定的谐振频率范围内稳定，变化微弱，该方法可使微带天线一般可以获得10%（VSWR＜2）左右的相对带宽。该方法在微带引信天线上还未见使用，为了提高带宽，将其方法引入微带引信天线设计中，经过对加槽处理仿真的大量试验，设计了一种超宽频带的炮弹弹头引信小型化微带天线。

1 原有微带天线结构

微带天线的电参数主要包括输入阻抗、方向图、带宽及与馈线的匹配等。由于微波无线电引信的探测器采用的是自差收发机，发射和接收共用一组天线，为了保证探测到弹体前一定距离的目标，除了要求天线具有一定的辐射功率外，还要求天线方向图前倾。根据工程的要求，微带天线的设计包括：基本板材和介电常数的选择；根据工作频率和强度确定天线的尺寸；选择合适的馈电方式，确定馈电位置。微波无线电引信受体积的限制，必须合理地解决天线的设计和安装的要求。因此微带天线采用介电常数εr=4的复合微波介质双面覆铜箔基片，厚度为1.2mm。根据天线安装位置要与弹头锥型部共型，天线的形状采用梯形，通过硬同轴线接到馈源上，该天线由辐射器和馈线组成，辐射器是印制在天线板顶层的激励振子和底层的辐射振子，馈线是由天线板上的印制馈线和硬同轴线组成，原有微带天线的模型如图1所示。

图1 原有微带天线Fig.1 The original microstrip autema

原有微带天线顶层有微带传输线2馈电主线，馈电主线2与激励振子3相连，底层有对称的微带辐射振子1，辐射振子1成“八”字形，与激励振子3形状重叠，互相耦合，其背面馈电为宽度渐变的矩形贴片4，馈电点在2和4的下端，微波能量从馈源经硬同轴线传输到天线的馈点，再经印制馈线2把能量传送给激励振子3，激励振子3又把能量耦合到辐射振子1并向空间的目标发射出去，已达到天线方向图朝弹前辐射的要求。

该天线在100 MHz带宽（相对带宽3%）内可以很好地使用，当频带拓展时，驻波比迅速增大，天线本身的传输系数减小，反射增大，使得高频系统和低频信号处理系统的灵敏度降低，反射引起的噪声也增大，已无法应用到再高带宽的引信系统上，所以必须加宽该天线的频带，才能应用到宽频无线电引信上。

2 底层开槽天线

通过对原有天线研究、仿真，天线的谐振频率主要由辐射贴片1和激励振子3的长度决定，由于缝隙耦合使得谐振长度与理论值λg／2有较大的出入，因此在设计时要把耦合缝隙的尺寸和贴片的尺寸结合起来考虑。1宽度对方向图、频带宽度和辐射效率都有影响，当宽度取大时对频带、效率和阻抗匹配都有利，但是当宽度大于一定值时会产生高次模，引起场的畸变。能量传输线由4和2组成，传输线2的宽度由微带传输线模型可计算得到。

根据当前应用背景的需求，结合Vivek的实验理论，设计出了底层开槽宽频带天线，底层开槽天线图如图2所示，底层贴片的馈电线上开了矩形窄缝，因为缝隙很窄且远离贴片的辐射边缘，所以它对贴片自身的谐振频率点几乎没有影响，然而由于窄缝的存在，其自身相当于一个缝隙辐射器，又能得到一个新的谐振频点，并且该频点是由缝隙的尺寸决定，当这两个谐振频率点拉的很近时，就起到了扩展带宽的效果。在接地板开的矩形槽如图2所示，其中槽尺寸对天线的带宽和谐振阻抗都有较大的影响，长度增长，谐振频率降低，谐振阻抗增加，这表明增长缝隙长度，馈线与贴片之间的能量耦合能力增强。宽度增大，谐振频率升高，馈线与贴片之间的能量耦合能力减弱。

图2 底层开槽天线Fig.2 The antenna with bottom slot

为了减少开槽对谐振频率的影响，这里将槽设计成两节，如图2所示，其中w1、h1段，靠近辐射振子，w2、h2段在馈电传输线上，通过调节两节槽的尺寸，可以在不同的带宽上调节。通常在设计时，为了减少背向辐射，缝隙的宽度取较小的值，然后再通过固定缝隙的一个长度，对另一个长度进行仿真优化，而获得理想结果。

底面槽尺寸w1、w2 在0.2～3.0 mm 之间，h1、h2在1～8mm 之间，固定一节尺寸来调节另一节尺寸，进行多次修改与仿真，使其驻波比在小于2以下的带宽可以达到400 MHz。

3 仿真与测试

引信天线位于弹头锥形部，为了与弹头共形采用圆锥形，并且要求天线方向图朝弹前辐射，辐射参数主要包括天线方向图、增益、带宽等，三个参数会相互制约，因此在天线设计过程中，要对天线方向图、增益、带宽作一些折衷处理。

天线的建模在Ansoft HFSS进行，并通过其仿真优化。建模如图3 所示，图4 为仿真的3D 方向图。方向图形状与增益与原有微带天线的方向图一致。

图3 仿真模型图Fig.3 The simulation model

图4 3D 仿真方向图Fig.4 3Dsimulation antenna pattern

为了验证微带天线底层开槽后带宽变化情况，分别设置底面槽尺寸参数w1、w2、h1、h2。w1、w2在0.2～3.0mm 之间，h1、h2在1～8mm 之间变化。分别针对四个参数中三个不变，一个变化研究其带宽变化规律。

1）w2、h1、h2不变，w1变化

在仿真中设置h1=8mm，h2=6.5mm，w2=1.2mm，w1从1.6～3.2 mm 变化，仿真的驻波比曲线如图5所示。

w1=1.6 mm，2.0 mm，2.4 mm，2.8 mm，3.2 mm，随着w1 的增大，带宽有明显的增大，以小于2.0 的驻波比分析，带宽从120 MHz 增加到320 MHz。

2）w1，h1，h2不变，w2变化

在仿真中设置h1=8mm，h2=6.5mm，w2=2.0mm，w1从0.4～2.4 mm 变化，仿真的驻波比曲线如图6所示。

w1=0.4mm，0.8mm，1.2mm，2.4mm，随着w2的减小大，带宽有略微的增大，以小于2.0的驻波比分析，带宽从180 MHz增加到220 MHz。

3）w1，w2，h2不变，h1变化

在仿真中设置h1=6.5mm，w1=2.0mm，w2=1.2mm，h1从5.5～8mm 变化，仿真的驻波比曲线如图7所示。

h1=5.5mm，6.5mm，7.5mm，8mm，随着h1的变化，带宽有略微的变化，但是没有规律。

图5 w1变化驻波比曲线图Fig.5 The VSWR curre for w1

图6 w2变化驻波比曲线图Fig.6 The VSWR curre for w2

图7 h1变化驻波比曲线图Fig.7 The VSWR curre for h1

4）w1，w2，h1不变，h2变化

在仿真中设置h1=8mm，w1=2mm，w2=1.2 mm，w1从1.5～7.3mm 变化，仿真的驻波比曲线如图8所示。

h2=1.5 mm，2.5 mm，3.5 mm，4.5 mm，5 mm，5.7mm，6.5mm，7.3mm，0.4mm，0.8mm，1.2mm，2.4mm，随着h2的减小，带宽有明显的增大，带宽增大200 MHz。

从以上的带宽随参数变化情况看，w1的增大和h2的减小对增大带宽有很好的效果。

针对以上的仿真分析，对w1、w2、h1、h2 进行全面的优化仿真，w1、w2在0.2～3.0 mm，h1、h2在1～8mm 之间变化，可使驻波比在小于2的情况下，天线带宽在100～400MHz之间调节，驻波比曲线如图9 所示，在槽尺寸为w1=1.2 mm，h1=8 mm；w2=0.8mm，h2=6.5mm，带宽为100MHz；在槽尺寸为w1=2.8 mm，h1=8.6 mm；w2=0.4 mm，h2=5.9mm，带宽为400 MHz，并且在带宽内的驻波比曲线比较平坦，再用仿真软件对参数w1=2.8mm，h1=8.6mm；w2=0.4mm，h2=5.9mm的模型进行仿真，得到方向图，方向图形状与图4相同，在前向基本为半圆。

用网络分析仪在微波暗室对优化后加工的中心频率为3.3GHz，带宽为400MHz的底层开槽微带天线主要性能进行测量，得到该天线在实验室测试的天线方向图，分别对3.1、3.2、3.3、3.4、3.5GHz五个频率点进行了测量，如图10所示。对比仿真和实验室测试的天线方向图，可以看出，实测与仿真天线方向图基本一致，实测在400 Mz带宽内，方向图形状相同，方向图呈半球状，达到了天线方向图前倾、谐振频率、带宽和增益的要求，并且波瓣宽度达到130°，经过相当数量的射击试验，证明该底层开槽微带天线满足使用要求。

图8 h2变化驻波比曲线图Fig.8 The VSWR curre for h2

图9 w1，w2，h1，h2优化后的驻波比曲线图Fig.9 The VSWR curre for w1，w2，h1，h2after optimization

图10 微波暗室实测方向图Fig.10 Measured pattern in microware anechoic chamber

4 结论

本文提出了一种宽频带微带引信天线，该天线应用Vivek实验理论，在原窄带天线基础上沿馈点方向的底层开槽，以提高耦合量，使得电抗性能在一定的谐振频率范围内稳定。将天线仿真的结果与实验室测量结果对比验证，有效地提高了天线的带宽，带宽由100 MHz提高到400 MHz，增加了该天线的使用频率范围，同时在3dB波瓣上也有了很好的改善。该底层开槽微带天线达到了宽频无线电引信系统的要求，在宽频微波无线电近炸引信领域内有推广应用价值。

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