无线电引信圆形微带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

引信天线作为无线电引信的重要构成，是无线电引信能够顺利探测到目标从而形成起爆信号的关键[1-2]。引信天线有着多样的选择，振子天线、螺旋天线、微带天线等等都可以被应用到无线电引信上[3]，而微带天线由于其体积小、质量轻、低剖面、制造简单、成本低、易集成等特点受到更多了青睐[4-5]。微带天线其贴片可以设计为不同的形状，如矩形、圆形、扇形、星形等等，其中矩形微带贴片天线研究与应用较多，但由于引信三维结构为圆锥型或圆柱型，其共同点都是横截面为圆形，那么圆形微带天线(介质层同样为圆形)将在本身有着尺寸限制的引信体中具有更大的空间使用率。

引信天线的辐射性能极大地影响着无线电引信的性能，圆形微带天线的HPWB(半功率波束宽度)较宽，在类似于空对空反导时具有优势，但增益是所有微带天线短板，特别是现在各类军事目标愈加强调“隐身性”，从而使无线电引信对其天线辐射性能要求越来越高，但提高单个天线增益的方法都伴随着探测角的减小，这将一定程度地限制引战配合的性能。

针对无线电引信天线提高增益的同时难以保留较大探测角的问题，提出了无线电引信圆形微带天线辐射性能改善方法。

1 圆形微带天线设计与优化

设定天线工作在X频段(7～12 GHz)，中心频率为10 GHz，图1为圆形微带天线结构模型，其尺寸可由下式初步计算[4,6]

(1)

(2)

式中，h为介质层的厚度，本次设计设定其值为1 mm；Re为等效半径；fr是天线的谐振频率；K11为一阶第一类贝塞尔函数倒数的第一个零点；c0为真空中的光速，其值为3×108m/s；εr为介质层的相对介电常数，本次设计中使用的介质层材料为FR4_epoxy(环氧树脂)，其相对介电常数4.4、损耗正切为0.02。

根据初步计算的结果，通过三维电磁仿真软件HFSS进行建模，并利用参数优化功能对天线的谐振频率和谐振效果进行优化，可以得到最优的天线尺寸，此时天线的回波损耗曲线如图2所示，天线工作的频带为7.89～10.23 GHz，满足X频段，并在中心频率10 GHz处，谐振效果最好，此时对应的天线尺寸如表1所示。

图2 回波损耗Fig.2 Loss return

RpRgFeedh同轴线3.915.8651.151RG178

2 加载磁负超材料天线结构

2.1 新型磁负超材料单元

单负超材料由于其对特定频段的电磁波有着传输禁带的效果，被应用于微带天线以抑制微带天线工作时所激发的表面波以及馈电寄生辐射，从而提升微带天线增益[7-9]。圆形微带天线由于其贴片为一个圆形，相比于矩形贴片微带天线，其介质层上的电流指向都是圆周的法向方向，所以方向变化频繁，不像后者矩形四周介质层电流指向都较为齐整，所以利用磁负超材料作为介质层来抑制圆形微带天线表面波时，其超材料单元应该与圆周有着更多的关系。

图3是为圆形微带天线设计的一种新型环形磁负超材料，其每个超材料单元对应着30°的圆环，由厚度可以忽略不计的铜线蚀刻在天线介质层上，单元的具体尺寸由表2所示。

图3 新型磁负超材料Fig.3 The new type negative-μ metamaterials.

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通过HFSS仿真得到单元结构的散射参数，再利用Smith, D.R.等人于2005年提出的反演算法[10]反演出等效磁导率和等效介电常数如图4所示。可以得到在中心频率10 GHz附近，单元结构产生了磁谐振，此时等效磁导率为负值，等效介电常数为正值，为磁负超材料，磁负频段包含了整个天线工作频段，所以可以加载到所设计的圆形微带天线上。

图4 单元结构参数Fig.4 Element structural parameters

2.2 加载超材料天线结构

由于在微带天线上加载超材料只在主辐射边方向作用明显，所以本文在圆形微带天线主辐射边方向上两边各加载了3个磁负超材料单元，加载超材料单元后天线的结构图如图5所示。

图5 加载超材料天线模型Fig.5 The antenna Model after loading metamaterial

3 仿真试验与结果分析

利用三维电磁仿真软件HFSS建模仿真可以得到天线的各项远场参数，图6为天线增益曲线。通过对比可以发现，在中心频率10 GHz处，由于加载的磁负超材料结构抑制了微带天线工作时所激发的表面波以及馈电寄生辐射，天线增益得到近1 dB(0.911 dB)的提升，并可看到在11 GHz时天线的增益提升量已经大幅度减少，因为此时超材料单元的等效磁导率逐渐变为正值，其对表面波的抑制效果也在逐渐降低。图7为天线的E面、H面归一化辐射方向图，由图可以看到，由于在天线的主辐射边加载了磁负超材料，天线的H面HPWB(半功率波束宽度)有一定程度的减小，具体减小了约12°；由于非辐射边并没有加载超材料结构，所以E面HPWB并没有减小，反而由于H面波束宽度被限制，而增加了约3°。图8为天线辐射三维极坐标图，通过图8可以直观发现，加载了磁负超材料的天线，增益得到了提升的同时，保留了无线电引信所需要的较大的探测角，还可以看到加载磁负超材料后天线后向波大幅度降低。

图6 增益对比Fig.6 Gain vs. frequency

图7 归一化辐射图Fig.7 Normalized radiation pattern vs. frequency

图8 三维极坐标图Fig.8 Three-dimensional polar plot

4 结论

本文提出了无线电引信圆形微带天线辐射性能改善方法。该方法设计了可组成环形的新型磁负超材料结构单元，并蚀刻在圆形微带天线主辐射边两侧以提升天线辐射性能。仿真结果表明，在主辐射边两侧各添加3个新型磁负超材料单元后，天线增益得到了近1 dB的提升，天线E面半功率波束宽度增加了3°，天线H面半功率波束宽度减少了12°，并发现后向波电平大幅度降低，说明在加载新型磁负超材料后，圆形微带天线不但增益得到了提高，同时也较大地保留了探测角，较好地满足了无线电引信对天线的要求。