一种弹载共形锥形波束天线的设计

方 鑫 肯 诺 王 慷 张 玲

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

在现代高科技局部战争中，中远距离导弹袭击已成为主要的有效打击手段之一。导弹在预定轨迹飞行中，地面技术人员通过弹载数据链天线获得其飞行状态等数据信息，同时可对导弹进行制导和引信［1］。随着现代高科技战争对导弹的性能要求不断提高，以及导弹特殊的应用环境，对弹载数据链天线提出了很多特殊的要求:首先，保证导弹的气动力学特性、机械结构和强度，要求弹载数据链天线能够与弹体共形;其次，为适应由弹体机动带来的天线指向变化，要求弹载数据链天线的方向图具备特定的覆盖能力［2］。

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［3］。

本文结合实际项目需求，研究设计了一种弹载共形微带准八木天线。该天线与弹体共形，不影响弹体的空气动力学特性，并对其进行了性能仿真。

1 天线要求及方案设计

1．1 性能要求

天线的主要技术指标要求如下:

(1)天线工作频率:10GHz±5%;

(2)天线驻波比:VSWR＜2.0;

(3)天线增益:Gain＞2dBi;

(4)极化方式:线极化;

(5)波束形状:后向锥形波束。

图1 弹载天线安装位置示意图

天线的安装方式如图1所示，天线置于弹体前端，同时实现后向锥形波束辐射的方向图。

1．2 天线设计

综合考虑天线体积、带宽、方向图形状以及弹体对其影响，选择采用微带准八木天线。

考虑到弹体的有限空间以及共形需求，选取介电常数为2.17，厚度为0.254mm 的Rogers 介质板，该介质板柔韧可弯曲共形。天线结构设计如图2所示。

图2 天线阵列设计示意图

如图3所示，圆锥尺寸为上直径为12mm，下直径为26mm，高为40mm。天线共形裹于椎体表面，整体可置于弹体前端腔内。利用金属圆柱体代替弹体构建仿真模型，如图4所示。应用电磁仿真软件AnsoftHFSS 对其进行仿真计算。

图3 天线仿真模型图

图4 天线加弹体的仿真模型图

选择合适的介质材料作为天线与弹体表面的过渡，可以有效改善弹体对天线波束形状以及驻波的影响［4］。实际工作时，天线的内外表面会发泡充满介电常数为4.2，损耗角为0.01 的介质，所以将其加入模型设计进行仿真计算。从天线仿真计算结果，图5-6 中可以看出，天线辐射方向图受到弹体的影响较小，可以实现后向辐射的使用要求。

将天线仿真优化到最优解，得到最佳尺寸。

图5 天线回波损耗

图6 天线方向图

2 工差分析优化

采用AnsoftHFSS 软件对天线模型进行仿真，并对实际安装过程中相应的参数进行了优化分析，结果如下所示。

2．1 外罩介质厚度公差分析

保持聚四氟乙烯外罩介电常数4.2 不变，对外罩表面介质厚度进行公差比较，结果如图所示，当厚度增加时，驻波、方向图和增益性能变化不大，驻波随厚度增加略有向低频偏的趋势。

图7 驻波随外罩厚度的变化

图8 方向图随外罩厚度的变化

2．2 外罩内外填充介质的介电常数公差分析

保持外罩厚度不变，改变其介电常数进行比较，如图所示。由图可知外罩介电常数对天线的驻波性能影响较大。增益略有减小，方向图的变化善可接受。

2．3 天线内表面与外罩介质的间隙的影响分析

保持天线和外罩厚度不变，使其内部天线与内部的外罩介质存有空气间隙，变化其间隙的厚度，对天线的性能影响如图所示。可见空气间隙较小时对性能变化不大，间隙达到2mm 时，驻波性能变差的比较明显，方向图也出现多瓣情况。在安装时，间隙应保证小于2mm。

图9 驻波随外罩介电常数的变化

图10 方向图随外罩介电常数的变化

图11 驻波随内部空气间隙的变化

2.4 天线外表面与接触外罩介质的间隙的影响分析

保持天线和外罩厚度不变的情况下，改变其天线与外罩不完全接触的空气间隙，天线性能变化如图所示。当间隙小于0.8mm 时，天线性能变化不大，当间隙大于0.8mm 时，驻波性能变化比较明显。

图12 方向图随内部空气间隙的变化

图13 驻波随外部空气间隙的变化

图14 方向图随外部空气间隙的变化

2．5 贴片裹在圆锥表面的高度

保持外罩和天线的指标不变，将天线裹在圆锥高度改变，对天线性能进行比较。如图所示，可知天线裹在圆锥的位置对天线的性能影响也很大，当高度向下移动6mm 后天线驻波性能很差，方向图和增益也出现紊乱现象。

图15 驻波随贴片高度的变化

图16 方向图随贴片高度的变化

以上分析为对安装过程中的一些工差进行了优化分析，得知安装过程中应该注意影响较大的参数，以保证实物工作性能完备。

3 加工测试

天线加工后的结构如图所示，内外部均为聚四氟乙烯材料，天线裹于内部结构表面，外部聚四氟乙烯罩进行嵌套，同时利用螺丝进行压紧固定。加工完成后的天线进行了驻波以及方向图测试。

天线的驻波利用矢量网络分析仪室外无遮挡辐射测试，天线辐射方向图采用微波暗室远场测试。

天线驻波测试结果图18所示，整体测试结果，驻波方向图结果符合性能要求，驻波性能S11＜-10dB，方向图向后方辐射，增益最大为2.8dBi，向前方最大增益为-2.3dBi。

图17 天线加工图

图18 天线回波损耗测试

图19 天线10GHz 测试方向图

4 结论

本文设计了一种弹载天线阵，该方案结构简单，设计方便，带宽宽，尺寸小。利用仿真软件计算出最优结果的尺寸，同时对实际安装过程中的一些工差进行了相应的分析，验证了其设计安装的可行性。加工实物，进行安装测试，满足指定天线设计要求。

［1］杨超，S 波段弹载柱面共形微带天线的设计［D］.西安:西安电子科技大学，2013.

［2］何兵，刘刚，南楠等.一种飞航导弹弹载发射天线设计［J］.微波学报，2011，27(3):43-46.

［3］林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［4］梁毅.一种新型弹载天线［J］.无线电工程，2014，(7):66-68.