周向前倾弹载介质阵列天线的设计*

苏贞霞,常树茂

(西安邮电大学,西安　710061)

周向前倾弹载介质阵列天线的设计*

苏贞霞,常树茂

(西安邮电大学,西安710061)

摘要:根据弹载探测系统的探测要求,设计了一款毫米波介质阵列天线。将6个介质天线单元均匀安装在弹体侧向一周,通过波导馈电形成阵列天线。阐述了基本理论和设计方法,给出了设计尺寸。ANSOFT HFSS仿真结果表明,该阵列天线辐射方向图轴向前倾30°,周向方向图接近圆,且在37.8~38.9 GHz的工作频段内VSWR<2,最高增益可达到11 dB。该阵列天线适用于相关工程。

关键词:弹载天线;介质天线;轴向前倾

0引言

弹载天线是弹载探测和弹载通信系统中重要组成部分。不同的使用目的,对天线辐射方向要求不同。对地探测,一般要求天线辐射的最大值在轴向附近;对于遥测遥控的弹载通信系统,一般要求天线辐射的最大值在周向附近;对空探测系统,一般要求天线辐射方向图为周向前倾。天线安装在轴向前端,可以实现天线辐射的最大值在轴向附近[1-2]。天线安装在弹体侧体,可以实现辐射最大值在周向附近[3-4]。文中设计了一种毫米波介质阵列天线,天线安装在弹体侧体壁上,而辐射方向图的最大辐射方向轴向前倾30°,周向基本为全向。这种设计满足了弹体前部不允许安装天线,且又要求探测范围覆盖前向180°的要求。

1天线设计

介质天线的凸出部分插入波导中,使波导内的电磁场对其进行激励馈电。由电磁波理论知,介质片对电磁波有导向作用。考虑到设计的天线辐射方向图有沿轴向前倾的要求,设计中使介质片整体指向弹体轴向。为了达到天线与弹轴垂直的面上方向图接近全覆盖,采用沿弹体圆周间隔60°均匀分布6个天线单元的天线阵方法。

1.1　天线单元结构设计

天线使用波导激励[5-8]。为了使波导中的介质与波导中的空气界面反射较小,插入波导中的介质终端做成渐变形状。弹载介质天线单元设计如图1(a)所示。矩形波导和表面波结构耦合,使一部分输入功率转换为束缚在介质表面的表面波,直到终端处辐射。考虑到随着天线介质片直径的逐渐减小,介质中的电磁波相速度会相应的逐渐提高。为使末端相速度接近于自由空间相速度,从而减弱末端的反射,介质片的形状设计成锥形。为了满足介质天线的增益、主瓣宽度、副瓣电平和带宽的设计要求,介质天线的长度、截面面积可以由式(1)~式(3)来估算确定。

(1)

(2)

(3)

式中:l为介质片的长度;k为真空中电磁波波数;kz为介质天线中电磁波波数;smax为锥形介质片的大截面面积;smin为锥形介质片的小截面面积。根据电磁波理论可以推出天线单元辐射方向图函数为:

(4)

1.2　天线的具体尺寸

图1　天线尺寸图

由上面理论公式得到天线设计的基本尺寸。利用HFSS电磁场仿真软件,经过大量的仿真调试和优化,得到满足设计要求的尺寸,如图1(b)、图1(c)所示。图中,介质片的介电常数εr=2.17,长度L1=25 mm,厚度h1=3.1 mm,空腔的尺寸为a×b=7.11 mm×3.56 mm,与WR-28B标准金属波导的尺寸一致。插入波导内介质高度h2=4 mm,矩形部分高度h3=1 mm。介质片的宽度L4=17.8 mm,介质片上开槽部分的尺寸和矩形波导内的插入部分的尺寸一致。介质天线边缘到弹体金属槽边缘的距离L3、L6和h7分别为4 mm、10 mm和5 mm。

1.3　建模及仿真结果分析

在HFSS中仿真[9],整体建模如图2所示。其中金属柱半径为40 mm,高度为170 mm。

图2　天线仿真结构图

图3是介质天线阵的仿真结果。由仿真结果可知:周向辐射方向图最大值11 dB,最小值为1.3 dB,不圆度为±5 dB。由图3(b)可以看出辐射方向图的最大辐射方向与轴向夹角30°(即前倾30°),天线阵增益大于6.5 dB。在180°的辐射范围内,辐射最小方向在0°处(即轴向处),此方向天线增益大约-9.2 dB。

图3　天线方向图

增益虽说轴向较小,但考虑到目标弹体正前方,其目标雷达横截面积最大,且较小增益范围小于±10°,所以这种天线特性不影响探测性能。由图4的天线驻波比知在37.8~38.9 GHz频带内,驻波比小于2,即天线有1 GHz的工作带宽。

图4　天线驻波比

在调试过程中总结出几条规律:

1)介质的长度越大增益越高方向性越好,但是,文中考虑到实用性和结构的最小化选择了最佳长度。

2)介质的体积对结果的影响是最直接的,图5是假定其它尺寸一定,通过改变介质的厚度h1的大小得出的驻波比的仿真结果,由图可以看出驻波比随着h1的变化而不同,其中h1=3.1 mm时效果最好。

图5　天线体积对驻波的影响

2结论

文中设计了一种弹体侧壁安装,圆周6单元均匀分布的毫米波介质阵列天线。ANSOFT HFSS仿真结果表明该天线实现了与弹轴垂直的面上方向图接近全面覆盖,与弹轴向前倾30°辐射方向最大的设计。天线最大增益达11 dB,在1 GHz的频带内驻波比VSWR<2。该设计可以应用于天线无法安装在弹体前部,但却要求既要前向探测,又要周向探测的场合。由于各种实际影响,该加载天线置于实际载体后性能会稍有改变。因此,加工实物、进行实测、实际调试是进一步要做的工作。

参考文献:

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[7]林昌禄. 近代天线设计 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 1990: 295-297.

[8]武文婧, 郭陈江. 弹载天线设计及耦合分析 [D]. 西安: 西北工业大学, 2006.

[9]谢拥军, 刘莹, 李磊. HFSS原理与工程应用 [M]. 北京: 科学出版社, 2009.

收稿日期:2014-07-10

作者简介:苏贞霞(1988-),女,陕西扶风人,硕士研究生,研究方向:射频电路与天线设计。

中图分类号:TN82

文献标志码:A

The Design of A Circumferential Forward Missile-borne
Dielectric Rod Array Antenna

SU Zhenxia,CHANG Shumao

(Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710061, China)

Abstract:According to probing requirement of missile-borne antenna probing system, a millimeter-wave dielectric antenna array was designed. Six antenna units were evenly mounted on projectile circumferential that were feed through waveguide, forming medium array antenna. The basic theory and design methods were described and design dimensions were given. ANSOFT HFSS simulation results show that the axial radiation patterns lean forward 30°, the circumferential radiation pattern is nearly circular, the VSWR<2 at working bandwidth 38~39 GHz, and the antenna highest gains reach 11 dB. This array antenna can be used for related projects.

Keywords:missile-borne antenna; dielectric rod antenna; forward