一种弹载超宽带共形天线

王书楠，金伟红，蒋凡杰，陈俊华，潘 伟

（1.中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802；2.中科院上海光学与精密机械研究所，上海 201800；3.中电科微波通信有限公司，上海 201802）

0 引言

在现代雷达、通讯及信息对抗领域中，对共形天线的需求越来越强烈。特别是现代弹载导引设备由于弹径有限，天线孔径被严格限制。复合制导体制的要求还使得有限的孔径被迫分摊给多种天线，从而使得每种天线难以满足设备性能日益增长的需求。本文设计了一种基于弹载共形应用的对数周期折合槽天线（LPFSA），工作带宽足以覆盖无源导引设备的带宽需求（10∶1）；波束覆盖弹头轴线方向，从而可以满足导引头的空域覆盖要求；共形能力则使得这种天线无需占用导引头孔径资源，为有源导引头天线省出宝贵的空间；而耐温性能又使其只需有限保护就可以在短时间内经受较高的温度，因而可以应用到多种使用场合。

LPFSA天线的原理结构如图1所示。它是对数周期天线（LPDA）的一种变形，最早由Greiser于1964年在伊利诺伊大学天线实验室的技术报告中提出［1］。文献［2］研究了多槽并联情况下的槽线天线输入阻抗，给出了阻抗估算公式：

1994年，Nurnberger、Mosko等人分析了LPFSA天线在平面和柱面平台上共形的阻抗及辐射特性［3－4］，并对天线的部分结构特征进行了改进，分析了槽宽对数变化情况下的输入阻抗。2005年，文献［5］分析了寄生槽对辐射特性影响及原理，认为其能保证折合槽内的磁流保持平行，从而抑制背瓣和旁瓣。此外还提出不使用寄生槽而增大FSA边缘槽宽以改善方向图辐射特性的方法。文献［6］对上述分析进行了总结和试验分析。

图1 LPFSA天线的原理结构

1 设计方法

LPFSA多数参数的设计方法与齿片形对数周期天线相类似，输入阻抗可按下列叙述计算。齿片形对数周期天线顶角2α的取值范围一般为40～70°。在这个范围内，齿片形对数周期天线的谐振阻抗一般在100～200Ω范围内［7］。根据巴俾涅原理，与之互补的对数周期槽天线（LPSA）的谐振阻抗应为：

式中，Z0为自由空间波阻抗。根据式（1），与该LPSA天线具有相似结构特征的LPFSA天线的谐振阻抗应满足：

将式（3）代入式（2），可得LPFSA天线的谐振阻抗和与之具有相似结构特征的齿片形对数周期天线谐振阻抗的关系：

根据式（4），可以依据对常规齿片形对数周期天线的了解来设计LPFSA天线的馈线阻抗。由于大多数齿片形对数周期天线的输入阻抗在150Ω附近，因此可以算出通常设计参数下的LPFSA天线的谐振阻抗在60Ω附近，并随参数的变化在45～90Ω范围内变化。

印制LPFSA天线的方向图为双面辐射，辐射最大方向与天线所在平面的夹角约为30～60°。为了抑制天线背面辐射，天线需要安装一个吸收腔。吸收腔腔深的设计与工作频段及吸波材料有关。天线采用共面波导馈电，馈电端以SMA接头垂直过渡馈入馈线。

本文所设计的天线的展开尺寸为：0.4λL×0.32λL×0.08λL，其设计工作带宽为5∶1。为了保证天线能够在短时间内耐受300°C的高温而保持正常物理特性，天线采用了耐高温吸波材料、耐高温焊点和反极性SMA接头，并对印制板材料进行了温度性能试验验证。

2 仿真分析

设计人员首先对展开状态下的LPFSA天线进行了仿真设计。为了方便叙述，定义整个工作频段最低端频率为fL，波长为λL。仿真使用了Ansoft公司的HFSS软件FEM求解器，由于天线频带较宽，仿真模型中忽略了高端的细微结构，并在fL～5fL频段采用了分段仿真的方法，在结果中合成为单一曲线输出。LPFSA天线和加载LPFSA天线的仿真模型如图2所示。模型中天线轴向指向Z＝－90°方向，两种模型具有相同的外尺寸。相应模型的驻波仿真结果如图3所示。相应模型的方向图仿真结果如图4所示。实线为E面方向图（轴向面方向图），虚线为H面方向图。

图2 LPFSA天线的仿真模型

3 LPFSA天线在fL～5fL频段的驻波仿真曲线

4 LPFSA天线在频率为5fL时的方向图仿真曲线

从仿真可以看出，容性加载槽可以极大拓展频率低端的驻波带宽。根据仿真，天线在E面呈现双面辐射的特性，其波束指向沿轴向方向对称（Z＝－90°方向），与轴线夹角约45°。方向图在轴向方向存在一个极深的零深，这是由于正反两面的辐射相位相反，在轴线方向的场强反相叠加形成的。当天线其中一面辐射被吸收腔吸收后，该处的零深即消失。此外，在沿天线面法向方向的对称位置还存在两个较小的背瓣。这两个背瓣通过调整寄生槽长度可以加以抑制。

图6 与共形表面曲率一致的共形LPFSA天线E面方向图实测曲线

表2 安装于共形平台上的LPFSA天线E面方向图数据列表

3 实测结果

基于柱面共形平台加工的吸收腔深度缩减为0.08λL的共形天线，其单元驻波、测试方向图及相应测试数据分别如图5、图6及表1所示。图5中Mark1～Mark4标记的频点分别为：fL、10fL、1.4fL、10.84fL。

图5 与共形表面曲率一致的共形LPFSA天线实测驻波曲线（0.625fL～12.5fL）

表1 共形LPFSA天线E面方向图数据列表

天线安装于共形平台上的测试方向图及相应测试数据分别如图7、表2所示。测试时，针对fL～10fL进行了测试，表明天线的工作带宽可以覆盖到10fL。对比发现，天线面弯曲后的性能与展平时相差不大，低端增益下降是由于吸收腔变浅造成的。天线安装于共形平台后，性能发生了较大变化，首先是波束变窄，波束指向更接近轴向、背瓣变小甚至消失。其次是面向法线方向的方向图变得凸凹不平，但轴线方向方向图依旧保持平滑。总的来看，安装于共形平台上的天线的测试结果相对于单独测试时而言，频率高端方向图变窄，波束指向更靠近轴线方向；低端方向图依然保持较宽的波束，指向则偏向法线方向。天线增益有所抬高，部分原因是波束被压窄，部分原因是测试误差造成的。

图7 安装于共形平台上的共形LPFSA天线实测E面方向图

事实上天线在共形平台上的安装位置对天线性能的影响也比较大。越靠近平台前端，天线的性能表现越好。安装于共形平台的各天线均经过了冲击、振动、高温烘烤等测试，表明其满足弹载使用的需要。

4 结束语

本文给出了LPFSA天线输入阻抗的估算公式，分析了其它各类参数对天线的影响，提供了LPFSA天线的简要设计方法。并通过计算、仿真、试验相结合的办法设计了一种能够用于弹载表面共形阵列的宽带共形天线。通过加载，这种天线比同频段下同类天线所需占用的表面积小60%，其在超过8：1频段范围内达到VSWR＜2.5：1，如果放松对驻波的要求，其工作带宽可达10：1。文章分析了该类天线的增益、波束指向、空域覆盖等性能，最后对比了天线安装于共形平台前后的性能变化。对比分析表明，安装于共形平台合适位置的这类天线，性能可以达到该类平台的使用需求，并可以满足相应的力学和热学环境要求。

［1］GreiserJ W.Research on log－periodic arrays of slots，No.3，contract No.NOBSR85243［R］.University of Illinois Antenna Laboratory，Urbana，Tech.Rept.，1964.

［2］Tsai HS，York RA.Applications of planar multiple－slot antennas for impedance control，and analysis using FDTD with Berenger′sPMLmethod［C］∥Antennas and Propagation Society International Symposium，1995.AP－S.Digest，1995（1）：370－373.

［3］Numberger MW，Volakis JL，Mosko JA，et al.Analysis of the log－periodic slot array［C］∥IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest，1996：1282－1285.

［4］Nurnberger MW，Bindiganavale S，Kempel LC，et al.A－nalysis of a Log－Periodic folded slot antenna array on planar and cylindrical platforms［D］.University of Michigan Radiation Laboratory，Tech.Rept.，1994.

［5］David A，Río D，Rafael A，et al.Ways to improve the radiation pattern of a LPFSA［C］∥IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest，2005：410－413.

［6］David A，Río D.Characterization of log periodic folded slot antenna array［D］.MS Dissertation，Department of E－lectrical Engineering，University of Puerto Rico，2005.

［7］林昌禄，聂在平.天线工程手册［M］.1版.北京：电子工业出版社，2002.