双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线

文瑞虎，陈　伟，王海彬，范　永

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安　710065)



双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线

文瑞虎，陈伟，王海彬，范永

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安710065)

摘要:针对目前弹载GPS共形天线，在无线电引信特定尺寸和安装环境下工作带宽窄的问题，提出双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线。该天线采用双层介质板作为天线辐射单元的衬底，通过两种不同介电常数的介质板叠加形成非线性天线基板,其有效磁导率会随频率的升高成平方的减小，这样就可以在不同的频率上对应同一个贴片尺寸，从而拓展了天线的工作带宽。仿真和样机测试结果表明：该天线辐射单元实现了与弹体的共形，工作带宽31 MHz，弹体轴向-58°～+58°范围内天线轴比小于2，实现了天线的圆极化。

关键词:无线电引信；弹载天线；GPS天线；共形天线；宽频带天线

0引言

全球定位系统(Global Position System, GPS)[1]由于能够全天候全球范围内为用户提供精确的定位服务而备受人们的关注，并已广泛应用于军事、导航、测绘、科研等各个领域，天线作为GPS接收系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到GPS接收机的接收性能。目前弹载GPS天线[2]根据弹体气动外形，采用GPS共形天线，有效解决了弹载GPS天线的抗高过载、弹体周向增益一致性的问题，但其工作带宽只有10 MHz左右，工作带宽过小增加了天线与信号处理电路的匹配难度。本文针对目前弹载GPS共形天线，在无线电引信特定尺寸和安装环境下工作带宽窄的问题，提出双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线。

1弹载GPS共形天线

图1所示为一种典型的弹载GPS共形天线[2]，该天线为一种半波辐射结构，采用柔性介质板或者铸模工艺将天线安装在弹体表面，这种结构形式可以在不改变弹体外形结构的情况下，实现天线的辐射特性。

图1　弹载GPS共形天线Fig.1　Missile borne GPS conformal antenna

天线辐射单元的长度L、品质因数Q和工作带宽BW[3]理论上如下式所示：

(1)

(2)

(3)

式中，c是真空中的光速；ξr是介质板的相对介电常数；S代表天线输入端电压驻波系数；Q是天线的品质因数；f是天线的谐振频率；h为介质板厚度。

由式(1)、式(2)、式(3)可以看出介质板的介电常数ξr越大天线的尺寸越小；相反介电常数ξr越小，厚度h越大天线的工作带宽BW则越大；因此合理选择介质板的介电常数和厚度是得到理想尺寸和工作带宽天线的关键。

在特定尺寸条件下提高天线的工作带宽可以利用非线性基板材料作为微带天线的衬底，在非线性基板上的微带贴片天线的尺寸w[3]为：

(4)

式(4)中，xmn是n阶贝塞尔函数导数的第m个零点，με和εε分别为有效磁导率和有效介电常数。

目前弹载GPS共形天线[4]，采用单层介质板作为天线辐射单元的衬底，因此在无线电引信特定尺寸和安装环境下，减小天线尺寸和增加天线工作带宽成为一对相互制约的矛盾体。

2双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线

本文提出的双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线，利用双层介质板介电常数不同，从而引起的非线性色散特性来提高天线的工作带宽。所谓天线基板的非线性色散特性，即其有效磁导率随频率的升高而降低。通过调整介质板的厚度和介电常数，实现有效磁导率με随相对工作频率fr升高成平方地减小，由贝塞尔函数式(4)可知，με和fr成反比关系的情况下，天线在不同频率上将对应同一个贴片尺寸。

如图2所示，天线采用双层介质板，上层介质板为柔性介质板，下层为大介电常数的陶瓷基板。将陶瓷基板加工成厚度一定的弧形嵌入弹体内部，柔性板贴附在陶瓷基板的表面，上下两种不同介电常数的介质板叠加形成非线性的天线基板。

图2　双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线结构图Fig.2　Double medium plate slotted projectile broadband GPS conformal antenna structure

通过公式(4)可以计算出天线的谐振长度w，确定天线长度后，通过调整天线馈电点位置和缝隙宽度d使得天线输入阻抗和电路输出阻抗实现匹配；再微调参数L确定天线的中心频率；上述参数确定后，利用双层介质板的非线性色散特性，通过调整介质板的介电常数和厚度，使得天线在相邻频点实现谐振，从而提高天线的工作带宽。

3实验验证

为了验证上述方法的可行性，利用全波电磁仿真软件(HFSS)，对双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线进行了建模仿真。根据贝塞尔函数，通过调整两介质板的厚度和介电常数，实现有效磁导率με随相对工作频率fr升高成平方地减小，并对贴片谐振长度w、天线馈电点位置、缝隙宽度d和长度L等参数进行优化仿真，得到中心频率在1.575 GHz，并具有理想工作带宽的弹载GPS共形天线。根据理论计算和仿真优化结果加工了双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线样机。实物如图3所示。

图3　双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线样机Fig.3　Double medium plate slotted projectile broadband conformal antenna prototype GPS

天线衬底长40 mm，上层柔性介质板介电常数2.2，厚度0.254 mm，下层介质板介电常数9.6，厚度3 mm，辐射单元w=26.4 mm，表面缝隙长度L=6 mm，缝隙宽度d=2 mm，馈电孔距离中心位置2 mm，切角的等边三角形边长为2 mm。

图4所示为GPS弹载宽频小型化共形天线输入信号的反射参数S11，从测试结果可以看出天线在1.575 GHz反射参数为-12.5 dB，在1.554～1.585 GHz频率范围内反射参数S11小于-10 dB。该弹载GPS共形天线利用双层介质基板的非线性散射特性，实现了天线的宽频带谐振，使得天线的工作带宽达到了31 MHz。

图4　反射参数S11测试结果Fig.4　The reflection parameter S11 test results

图5所示为弹载宽频小型化共形天线的极化轴比，可以看出，在中心频率1.575 GHz,天线的θ方向-58°～+58°范围内天线轴比小于2，性能满足工程要求。图6和图7分别为弹体轴向天线方向图的仿真与测试结果，从图中可以看出仿真与测试结果基本吻合，天线向弹体周向辐射，最大增益为2.1 dB。

图5　天线轴比Fig.5　Antenna axial ratio

图6　弹体轴向方向图仿真结果Fig.6　The axial direction of the missile body diagram simulation results

图7　弹体轴向方向图实测结果Fig.7　The axial direction of the missile body diagrammeasured results

4结论

本文提出了双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线， 该天线采用双层介质板作为天线辐射单元的衬底，通过两种不同介电常数的介质板叠加形成非线性天线基板,其有效磁导率会随频率的升高成平方的减小，这样就可以在不同的频率上对应同一个贴片尺寸，从而拓展了天线的工作带宽。仿真和样机测试结果表明：该天线辐射单元实现了与弹体的共形，工作带宽31 MHz，弹体轴向-58°～+58°范围内天线轴比小于2，实现了天线的圆极化。

参考文献:

[1]王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[2]Wayne Worrell. Guidance Integrated Fuze Demonstration Program[C]//53RDAnnual Fuze Confrence.US:NDIA,2009:187-217.

[3]林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4]商锋.应用于制导系统弹载天线的研究[J].宇航计测技术，2009(1)：1-3.

Double Medium Plate Slotted Projectile GPS Broadband Conformal Antenna

WEN Ruihu，CHEN Wei, WANG Haibin, FAN Yong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China)

Abstract:The current missile borne GPS conformal antenna of radio fuze with specific sizes the problem of the narrow-band, a double-layer dielectric plate slotted bomb load broadband conformal antenna with GPS was proposed. The antenna took double-layer dielectric plate as an antenna radiation unit of the substrate, two different dielectric constants of dielectric plate superposition formed nonlinear antenna substrate and its effective permeability would decrease with the frequency increasing. Simulation and prototype test results showed that the antenna radiating element was realized with the missile body.

Key words:radio fuze; missile borne antenna; GPS antenna; conformal antenna; broadband antenna

中图分类号:TJ43

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)02-0010-03

作者简介:文瑞虎(1986—)，男，山西曲沃人，硕士，研究方向：微波技术。E-mail:wenruihu518@163.com。

*收稿日期:2015-11-02