一种新型弹载遥测通信天线的设计

刘洪喜，樊 膑，吕 蒙，李 蓓，董善斌，王丽娟

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

随着军事对抗的发展和科技水平的提高，各种武器制导系统的应用领域不断扩大。在精确打击武器系统中，导弹对所接收的控制信号通过信号处理使其精确打击到目标。导弹的控制信号采用无线通信的方式获得，因而需要合适的天线作为收发信号的终端。导弹通常受电磁兼容、运动力学等因素的影响，无法为天线提供较为充足的安装空间。由于弹体结构的影响，天线的位置和体积也受到了限制。另外，由于无线通讯中信道容量不断扩充，必然要求天线的工作频带随之展宽，这就对弹载天线的工作频带又有了更宽的要求。

弹载天线的种类有多种，常用的弹载天线形式有微带天线、振子天线、叶片天线、开槽天线、螺旋天线，以及波导天线等。加载于尺寸有限的同一壳体表面时，天线间的互耦往往是造成弹载电子设备相互干扰的主要原因。在弹体本身的影响下，惠更斯元面天线之间的耦合系数较小，即隔离度最大，因而常被作为弹载天线的主要结构［1］。

本文论述了一种新型的弹载通信天线单元。该单元属于微带缝隙天线，采用共面波导馈电，具有较小的体积以及较宽的工作频带［2］。本文定性分析了该天线的结构，介绍了天线单元在柱面共形阵列天线中的应用，并给出了单元的具体尺寸和仿真结果。

1 天线设计

弹载天线必须具有合适的结构形式，特定的电气指标，满意的机械强度及在恶劣条件下正常工作的能力，且不影响导弹的气动外形及飞行性能。这就要求弹载天线尺寸小、重量轻，机械强度和刚度好;受天气或其他外界条件影响小;具有良好的耐电击穿强度;多个天线间的互耦影响要小，尤其注意布局要合理［1］。微带天线为印刷面天线，结构简单，便于共形安装在导弹上，且生产成本低、可靠性高，应用的频率范围较宽。

本文所提出的弹载通信天线为微带缝隙结构。缝隙天线是在平板或圆柱等结构上直接开槽的一种天线形式，优点是结构简单，但同时也存在着频带窄，以及在大功率时容易击穿等缺点。本文所提出的这种微带缝隙天线采用共面波导馈电，通过合理开槽克服了缝隙天线本身频带窄的缺点，有效拓展了天线宽带［3］。天线结构和具体尺寸如图1 所示，基板采用介电常数为4.4 的FR4 介质，整体尺寸为40 mm×38 mm×1.6 mm。微带馈线采用中心耦合馈电方式直接对天线进行馈电，馈线末端的矩形小贴片用来调节阻抗匹配。地板中心所开的菱形槽用来实现天线的指标频段，不同于以往的矩形开槽形式，合适尺寸的菱形槽能够获得更宽的带宽和更好的阻抗匹配［4］。

图1 弹载天线二维俯视图

图2 弹载天线三维立体图

为便于与测量仪器直接相连，微带馈线的特性阻抗设计为50 Ω，对应的微带线宽度可以根据经验式(1)和式(2)计算

其中等效介电常数为

由上式可见，所提出的这种天线剖面低、体积小、结构简单、方便加工、易于和复杂体共形。另外，天线也可以组合成与载体平台共形的阵列天线，天线单元馈电可采用威尔金森功率分配器连接馈电微带的形式，根据单元的结构位置和波束要求进行布局设计［5－6］。

2 天线性能分析

通过Ansoft HFSS 对天线进行建模仿真，可以得到该天线的各项电气性能。图3 是天线的驻波曲线示意图，电压驻波比VSWR2 的频带范围为2.1 ～2.9 GHz，天线带宽达到800 MHz，相对带宽32%。通信天线通常工作在S 波段(2 ～4 GHz)，S 波段前半段更是蓝牙、无线局域网和卫星通信的常用频段。文中所设计的弹载天线基本覆盖了2 ～3 GHz 的所有通信频带，带宽较宽。

图3 天线驻波曲线

导弹在飞行过程中，其弹道和姿态都有可能随时改变，为保证在任何状态下导弹的测控通信畅通，要求测控通信天线方向图最大值在与弹轴垂直平面上基本为圆形［7］。在遥测系统中，为使接收天线不受飞行体运动轨迹和姿态的影响而出现信号收不到的现象，希望装在飞行体上的发射天线产生的辐射方向图在水平面为圆，垂直面为“8”［2］。如图4 所示，在天线频带内挑选两个频率2.2 GHz 和2.6 GHz，观察天线的远场辐射方向图。

图4 2.2 GHz 远场辐射方向图

图5 2.6 GHz 远场辐射方向图

仿真结果表明天线近似为水平全向，具有良好的辐射特性。由于表面电流的水平分量随着频率升高而增大，因而该天线在高频端某些方向上的交叉极化较为明显，但其对多径传播下的移动通信系统性能影响相对较小。该天线在整个频带内的增益在3.4 ～4.1 dB之间变化，增益满足常用天线的指标要求，且频带内变化幅度较小。这样的天线并联使用，且用E 面覆盖弹体圆柱或圆锥面，可以作为弹载引信或者测控天线使用。

3 结束语

本文提出了一种新型弹载遥测通信天线，能够良好地满足弹载通信天线的电性能要求，便于共形安装，结构简单，易于批量制造。该天线具有小型化和宽频带的特性，将此天线围绕弹轴方向组阵，可以在赤道面获得全向方向图，适于弹载，具有广泛的工程应用前景。

［1］ 林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［2］ 张福顺，焦永昌，马金平，等.弹体上S 波段微带共形天线阵［J］.电波科学学报，1998(2):52－56.

［3］ 常树茂，谢维锋.弹载双波段不同辐射方向图天线的设计［J］.火力与指挥控制，2010(9):171－174.

［4］ 蒋永辉，谢拥军，徐挺威.一种倒F 振子在共形阵列天线中的应用［J］.无线通信，2009(21):60－62.

［5］ 姚广锋，王积勤.一种弹载毫米波引信天线的分析与设计［J］.制导与引信，2004(12):61－64.

［6］ 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.

［7］ 曹成茂，张河，陈若飞.引信信息遥控装定与弹载天线设计［J］.箭弹与制导学报，2005(25):239－242.