小型化弹载全姿态跟踪导航天线

陈智达，彭顺全

（广东盛路通信科技股份有限公司，广东 佛山 528100）

0 引 言

常规弹药的智能化改造是军事热门的科研领域之一，而智能化弹药中弹上接收天线是信号接收单元的关键部件。由于弹上空间十分有限，对弹上天线提出了一些急迫而现实的需求，即体积小、重量轻、能够与弹丸共形、在受控范围内任意姿态下都能可靠接收指令等。

小型化的弹载头端天线随着可接收的卫星导航星座越来越多（包括GPS、北斗、GLONASS以及Galileo等），即使在接收环境恶劣的情况下亦能确保用户稳定可靠地接收卫星信号，为常规弹药的智能化改造提供了可靠保证。

目前，普遍使用的头端弹载一般使用PIFA 螺旋天线[1]缠绕在塑料支柱上，虽然能够承受弹药发射时的高冲击力、高温度冲击等可靠性指标，但使用的头端天线为线极化天线，接收圆极化信号必须减一半的能量，且塑料支柱介质加载严重，天线的电性能大幅下降，使定位时间和定位精度严重恶化。另外，天线在下降的姿态上，由于地板的影响和天线方案的局限，天线辐射都朝正下方，无法接受正上方的卫星信号，导致下降过程中定位精度急速下降，无法保证导弹正常定位。

1 天线结构

本文提出的在辐射面加载等长的耦合短路线微带贴片天线，如图1 所示。

图1 四臂螺旋天线辐射面

四臂螺旋天线方案[2-3]如图1～图4 所示，是由介质支撑体1、天线辐射体2、接地板3、天线馈电点4、天线短路点5、π 型匹配电路甲6、π 型匹配电路乙7以及合成电路8 组成。

天线辐射体2 由4个谐振频率臂构成，且4个谐振频率臂均匀分布在辐射体介质支撑体1。

天线馈电点3 和天线短路点4 均设置有4个，均匀固定在接地板3 上，通过焊接把介质支撑体1 与接地板3 连接在一起，形成PIFA 天线，调整天线臂阻抗。

图2 本方案天线应用于弹载系统上

图3 四臂螺旋天线设计方案

图4 新方案四臂螺旋天线移相网络设计方案

天线的π 型匹配电路甲6 由LCL 电路组成，其中L1&L2为接地并联电感，C1为串联电容；π 型匹配电路乙7 由CLC 电路组成，其中C2&C3为接地并联电容，L3为串联电感。

天线的匹配电路甲6 和匹配电路乙7 根据工作频率匹配形成相差180°相位偏移[4]。

天线的合成电路8 由3 个等幅同向的二合一集成芯片沟通，与匹配电路甲和匹配电路乙共同作用，使天线对称两臂的相位相差180°，并进行四路合一。后续C4串联后，经低噪放将天线输出。

天线的介质支撑体1 的圆柱体壁厚和材料特性（介电常数、正切损耗因子等）均会对天线工作频点、工作效率、波束带宽以及辐射增益等性能参数产生影响；天线辐射体2 由4 个螺旋臂组成，均匀分布，可用于1 521～1 621 MHz 高频工作频段或者 1 164～1 300 MHz低频工作频段。天线辐射体2 以不同方向的环绕，将形成右旋和左旋极化。本案例中天线臂为顺时针旋转，形成右旋圆极化信号。

2 仿真结果及讨论

图5 和图6 给出了新天线方案和传统方案的方向图。从图5 和图6 可以看出，传统方案辐射方向图只能定向辐射，最大辐射方向在天线的正上方，而新方案通过移相网络的更改，不仅实现了圆极化，而且在上下左右均能保持一定的辐射能量，使弹载天线在全姿态都能保持跟踪定位。

图5 新方案方向图

图6 传统天线方向图

表1 和表2 比较了提出的两种天线方案辐射性能。明显看出，新方案在上方增益方面比传统方案低3 dB，而左侧、右侧以及下方均明显优于传统天线，尤其是下方增益。

表1 新方案方向图的性能

表2 传统天线方向图的性能

表3 和表4 比较了两种天线方案在实现移相网络方案中的区别。两种设计方案都是等幅度的设计，能实现右旋圆极化。表4产生类似微带缝隙激励的方向图，而表3 激励的是与底板无关的水平圆极化激励，且方向图具有水平全向天线的特征。

表3 新方案天线相位设计方案

3 结 论

本文提出了一种四臂螺旋天线设计方案。通过在内部移相网络的创新，实现天线上方和下方均能产生相同圆极化增益，并且不受下方底板大小的影响，确保弹载天线在上升、平飞、下降过程中都能稳定跟踪定位信息，提高打击精度和可靠性。本实用新型虽然较传统弹载天线信噪比上方增益低3～4 个CN 值，但解决了传统天线在下降过程中无法跟踪定位或定位偏弱的技术难题。

表4 传统天线相位设计方案