无线电引信角锥喇叭天线辐射性能改善方法

何 博，李世中，张 亚

(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

0 前言

现代战场各种武器装备外形设计愈加强调减小雷达反射面积以提高隐蔽性[1-2]，若要更加准确地探测到目标，无线电引信的辐射频率需向着超高频发展，毫米波探测技术在精确制导弹药的寻的引信中得到了重要的应用并已取得突破性的发展[3]，近年来大热的太赫兹技术也被证明拥有着极大的引信探测的价值[4-5]。在提高辐射频率的同时，引信探测天线也需具有高增益、高探测分辨力和测角精度的特点，以提升引战配合性能。天线作为无线电引信的重要构件，作用是把引信发射机发射的电磁波信号辐射到自由空间，当天线主波束照射到目标并经目标散射后，由同样波束形状的天线接收，经信号处理，最终形成引信起爆信号[6]。

角锥喇叭天线是高频率频段广泛使用的天线，在太赫兹频段总体尺寸小、结构简单、易于制造[7]。喇叭天线使波导开口面逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小，并且波导天线能够承受较高过载环境[8]。

针对现代战场面对小雷达反射面积的目标，无线电引信探测天线需具有高增益、高探测分辨力和测角精度的特点，提出了无线电引信角锥喇叭天线辐射性能改善方法。

1 天线模型计算与建立

设计的初始尺寸天线工作的中心频率为256 GHz，频段为224～288 GHz，增益要求为90(约19.5 dB)，波导选用型号为WR-3的矩形波导，角锥喇叭天线的三维模型如图1所示。

图1 角锥喇叭天线模型图Fig.1 The model of a pyramid horn antenna

最佳增益设计公式如式(1)—式(5)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，λ为工作中心频率对应的波长，RH与RE分别表示喇叭口E面和H面到喇叭虚焦点的距离，A为波导的高度，B为波导的高度，DE为喇叭口面宽度，DH为喇叭口面高度。

查表得到波导尺寸与计算得到喇叭天线的初始尺寸参数如表1所示。

喇叭天线作为面天线，口面相位差是一个需要注意的问题，口面相位差过大，天线主波束会有较多凹坑，辐射曲线深浅不分明，利用介质透镜可有效调相，提高天线的辐射性能。

表1 喇叭天线及波导初始尺寸

2 介质透镜选择与建模

常用的喇叭天线分为圆锥喇叭天线和角锥喇叭天线。圆锥喇叭天线的口面是一个圆形，与天线的虚焦点形成一个圆锥，圆锥的母线都相等，所以电磁波由天线的虚焦点到口面的最大相位差是一定的，单曲面介质透镜方程也一定；角锥喇叭天线的口面是矩形，与天线虚焦点形成一个四棱锥，电磁波从虚焦点到达喇叭口面时，在天线辐射的E面、H面以及最大距离差面上需校正的相位差是不同的，对应的介质透镜方程也就不同，所以分为三种情况如图2所示。

图2 三种情况下的介质透镜Fig.2 Dielectric lens in three cases

透镜a为E面上相位差校正透镜；透镜b为H面上相位差校正透镜；透镜c为最大距离差面上相位差校正透镜，图中f为透镜的焦距，t为透镜的厚度。

介质透镜的曲面方程如式(6)：

(n2-1)x2+2f(n-1)x-y2=0

(6)

式(6)中，f为透镜焦距，n为透镜材料的折射率。

表2 三种不同情况介质透镜的尺寸

3 仿真结果对比与分析

通过HFSS15.0软件将三种介质透镜分别与角锥喇叭天线配合模拟仿真，得到了驻波比曲线与整个频段的增益曲线如图3、图4所示，可以发现在分别添加三种介质透镜之后，天线的增益都得到了提高，但驻波比参数也不同幅度的提升。图5为未添加介质透镜与添加介质透镜三种情况下天线的辐射方向图，辐射曲线在添加介质透镜后都变得更加平滑。通过读取图3、图4、图5中的信息，得到天线在中心频率的具体辐射参数如表3所示。

图3 四种情况下天线驻波比曲线Fig.3 The VSWR of the antenna in four cases

图4 四种情况下天线增益变化趋势图Fig.4 The gain of the antenna in four cases

图5 四种情况下天线辐射方向图Fig.5 Antenna radiation pattern in four cases

表3 四种情况下天线参数

通过表3显示出，相比于未添加介质透镜的角锥喇叭天线，3种情况下的介质透镜都使天线的各项辐射参数发生一定的变化，具体变化如下：

1) 添加透镜a的天线增益提高了1.54 dB，驻波比升高了0.332 1，E面旁瓣电平无较大变化、3 dB宽度减小1.143°，H面旁瓣电平减小了5.86 dB、3 dB宽度减小了1.084°；

2) 添加透镜b的天线增益提高了1.93 dB，驻波比升高了0.211 8，E面旁瓣电平降低了2.59 dB、3 dB宽度减小2.41°，H面旁瓣电平减小了6.34 dB、3 dB宽度减小了1.14°；

3) 添加透镜c的天线增益提高了1.18 dB，驻波比升高了0.260 4，E面旁瓣电平升高了3.9 dB、3 dB宽度无较大变化，H面旁瓣电平减小了7.79 dB、3 dB宽度无较大变化。

通过以上具体对比可得到，在添加透镜后，天线的各项辐射参数愈加满足无线电引信对探测天线的要求。特别是添加透镜b后，天线增益提升量最大、驻波比升高量最小，在E面、H面旁瓣电平都得到了降低，提高了天线的抗干扰性，在H面半功率波束宽度最窄，提高了探测分辨力和测角精度，并且通过表2可以得到，基于H面添加的介质透镜尺寸最小、厚度最小、重量最轻。

图6为三维极坐标图，可以直观地发现，添加透镜后喇叭天线辐射的球面波变成了平面波，改善了相位差带来的损失，提高了天线的增益。

4 结论

本文提出了无线电引信角锥喇叭天线辐射性能改善方法。该方法利用三维电磁仿真软件HFSS15.0建模了一种工作在256 GHz的角锥喇叭天线，并分别基于角锥喇叭天线E面、H面、最大距离差面加载介质透镜以改善天线辐射性能。仿真结果表明，基于H面添加介质透镜后，天线增益提升量最高(1.93 dB)、驻波比上升最小 (0.211 8)、E面旁瓣电平降低了2.59 dB、3 dB宽度减小2.41°，H面旁瓣电平减小了6.34 dB、3 dB宽度减小了1.14°，说明角锥喇叭天线基于H面添加介质透镜更好地满足了无线电引信对天线的要求，并且相比于另外两种情况，辐射性能更好，透镜尺寸更小、重量更轻。此方法下虽然提高了引信探测天线的增益、探测分辨力与测角精度，但主波束的变窄使得探测范围也将受到一定的约束。