弹丸头锥上小型化共形短路遥测天线

付 强，张海瑞，曹少珺

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

伴随着我国现阶段引信产品的多功能、智能化发展，为提高智能化引信研制产品的研制进度和实用性，在靶场试验中多需要采用遥测系统获取弹丸飞行时引信工作的数据参数来判断武器的工作效果。弹载遥测天线是弹载遥测系统中的关键部件之一，对遥测数据的可靠接收发挥重要作用。

目前很多研究者提出了多种弹载共形微带天线的设计方案[1-4]，主要解决天线弹载共形问题，但是这些弹载天线的尺寸仍然偏大，不符合安装于弹丸头锥上的小尺寸需求[1-3]。有研究者采用高介电常数材料的介质板解决了小型化问题，但铣削出的小尺寸天线平台占用了弹丸头锥结构体内电路的空间[4]。Waterhouse 于1995 年在文献[5] 中提出了在微带贴片天线中加入短路针使天线谐振频率降低、尺寸减少的方法。大部分文献对短路针加载微带天线进行了理论分析[6-8]，然而关于短路针加载微带天线具体设计方法和设计产品报道不多。

本文针对弹载遥测天线小型化、弹体共形及抗高过载的综合性问题，提出了弹丸头锥上小型化共形短路遥测天线及设计方法。

1 天线设计基本原理和设计方法

1.1 多短路针加载短路面的原理

加载短路面的微带天线是一种四分之一波长结构的微带天线。相对于半波结构矩形微带天线，加载短路面天线的矩形微带天线长度缩小了一半。依据空腔模型法分析加载短路针矩形微带贴片天线，在频率不变的情况下，短路针加载前后的λg/2天线和λg/4天线的电场分布图如图1所示。由该图可以更清楚直观地了解短路针加载微带贴片天线能实现小型化的原理。可以发现加载短路针的微带天线是一种四分之一波长结构的微带天线，天线中的电流在一个开路端和另一个开路端之间形成驻波，因此两个开路端之间有一条零电位线。利用多短路针在零电位线处对地短接形成短路面，从而人工造成了电压节点，就可以形成开路到短路的驻波结构，这样天线的尺寸就可以减小一半。

图1 短路针加载前后天线电场分布对比图Fig .1 Short circuit pin loading comparison chart

1.2 小型化短路遥测天线设计方法

由于短路针加载贴片天线结构复杂，而天线加载的设计是一个非线性的问题，所涉及的变量包括加载位置、加载的组合形式等，是一个多变量复杂问题，具体设计可以依次从确定微带天线贴片尺寸、频率特性和阻抗匹配快速得到最佳参数设计结果。

本文小型化短路遥测天线设计方法按以下几个步骤确定各参数:

步骤1 根据工程需求和尺寸限制，确定天线基材采用介电常数εr和厚度t的介质材料；确定天线工作频段，依据空腔模型法，计算天线的尺寸。

步骤2 基于多短路针加载短路面的原理，天线的尺寸大约可以减小一半来初步确定有效辐射贴片尺寸W×L。

步骤3 加载多个短路针在辐射贴片的一边缘形成一个加载短路阵列面，谐振频率主要受贴片尺寸、厚度，短路探针的数量和位置以及短路针的直径和短路针间距影响。依据空腔模型法，初步拟定馈电探针半径Rt和位置参数(Tx，Ty)。利用计算机软件优化短路针参数调整矩形微带贴片天线的谐振频率特性确定的自由参数：第一短路针位置(Dx，Dy)、短路探针的数量N、短路针半径Rz和短路针间距D。

步骤4 匹配天线的阻抗特性。加载短路针矩形微带贴片天线的阻抗特性除了与前几步相关参数有关外还与同轴馈电探针的位置(Tx，Ty)有关。在确定天线频率特性后，保持前面参数不变的条件下，对馈电探针位置进行优化,得到匹配良好的阻抗特性。

由此，完成多短路针加载短路面的微带天线设计。

2 天线结构模型及参数设计

2.1 天线结构模型

本文设计的小型化共形短路遥测天线结构形式如图2所示。根据工程需求和尺寸限制，选用介电常数εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介质板做天线基板。

图2 短路针加载示意图Fig.2 Short circuit pin loading

图2所示影印部分为天线基板正面印制矩形微带辐射单元，其中宽为W,长为L；距离矩形微带天线一边缘配置一排短路针形成短路面，短路探针的数量为N、短路针半径为Rz和短路针间距为D，最左边第一颗定位短路钉位置为(Dx，Dy)；馈电探针半径为Rt，距离下边缘距离Ty。

2.2 参数设计和仿真优化

1)弹载遥测系统工作频段在2 250 MHz，介质板选用介电常数εr=2.55，厚度t=0.5 mm的柔性薄介质材料。依据空腔模型法，对不加短路针标准微带矩形天线进行计算。

矩形天线的非谐振边的有效长度Le为：

(1)

式(1)中，f为工作频率，c为光速，εr为介电常数。计算得到Le=41.24 mm。

2)基于多短路针加载短路面的原理，天线的尺寸大约可以减小一半以及天线基材尺寸约束，初步选定多短路针加载短路面的小型共形遥测天线辐射片的宽(W)为21 mm,长(L)为20.5 mm。

3)本文利用HFSS软件优化短路针参数调整矩形微带贴片天线的谐振频率特性。依据空腔模型法，初步拟定馈电探针半径Rt=0.2 mm，距离下边缘距离Ty=4 mm，馈电探针位置参数(Tx，Ty)=(0 mm，4 mm)。需要确定的自由参数有：第一短路针位置(Dx，Dy)、短路探针的数量N、短路针半径Rz和短路针间距D。

计算机优化过程均为约束优化，相关参数约束条件为：

短路探针的数量N：3≤N≤10；

短路针半径Rz：0.2 mm≤Rz≤1 mm；

左边第一颗定位短路针位置(Dx，Dy)：0.2 mm≤Dx≤4 mm，0.2 mm≤Dy≤3 mm；

短路针间距D：0.6 mm≤D≤(W-0.8 mm)；

短路阵列面尺寸：0.7 mm×W≤(N-1)×D≤(W-0.8 mm)。

利用HFSS软件对所设计的天线模型进行了仿真分析，尺寸优化。优化后短路探针的数量N=9，微带贴片尺寸参数W×L=21 mm×19.96 mm，短路针半径Rz=0.28 mm，第一短路针位置(Dx，Dy)=(1.2 mm，0.8 mm)，短路针间距D=2.22 mm。

4)在保持微带贴片尺寸参数W×L和短路探针参数(N、Rz、Dx、Dy、D)以及馈电探针半径Rt不变的条件下，以馈线特性阻抗Z0为目标进行优化，得到最优阻抗特性的馈电探针位置参数(Tx，Ty)=(0 mm，3.1 mm),达到最优阻抗匹配，有效降低驻波比。

3 天线仿真及测试验证

3.1 小型化共形短路遥测天线的仿真

对小型化共形短路遥测天线进行了建模与仿真设计，建立的天线单片模型如图3。利用HFSS对天线进行建模与仿真优化参数后，得到天线电压驻波比仿真图，图4为天线电压驻波比仿真结果。由图4所知，在中心频率2 250 MHz处电压驻波比为1.073；在(2 250±13)MHz 的频率范围内，电压驻波比≤2。

图3 小型化共形短路遥测天线单元仿真模型图Fig.3 Compact conformal short circuit telemetry

图4 天线的电压驻波比(VSWR)仿真曲线Fig.4 Antenna VSWR simulation curve antenna simulation model

图5为采用两片共形短路遥测天线对称配置在金属锥台两侧的仿真分析模型图。图6、图7为共形遥测天线阵H面和E面三维方向图仿真结果。从仿真的结果来看，该两片共形短路遥测天线对称阵在中心频率f=2 250 MHz时，增益G=0.53 dBi，实现了天线的方向图在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐射等特点，满足全弹道遥测的需求。

图5 金属锥台两侧对称配置的共形短路遥测天线阵模型图Fig.5 Conformal short circuit telemetry antenna array simulation model

图6 天线H面的仿真方向图Fig.6 Simulation pattern of antenna H-plane

图7 天线E面的仿真方向图Fig.7 Simulation pattern of antenna E-plane

3.2 实验室测试验证

该小型化共形短路遥测天线在实验室进行了测试验证。图8为共形短路遥测天线产品图，图9为天线电压驻波比测试结果。由图9可知在中心频率2 250 MHz处电压驻波比为1.176；在2 234～2 261 MHz的频率范围内，电压驻波比≤2，研制的小型化共形短路遥测天线测试结果与设计基本吻合。

图8 共形短路遥测天线产品图Fig.8 Conformal short circuit telemetry antenna

图9 天线的电压驻波比(VSWR)测试曲线Fig.9 Curve of the measured standing wave antenna

3.3 外场试验验证

研制的工程天线样机具有良好的全向辐射性能，满足全弹道遥测的需求。该天线具有体积小、易加工安装、方向图稳定等特点。在外场试验中，进行了以下验证：

1)试验样机通过20 km拉距试验测试天线通信性能，结果表明天线性能指标正常；

2)该天线产品在某高过载校射引信平台应用，全弹道北斗卫星的位置、速度信息及时有效地传回地面接收系统。

4 结论

本文提出了弹丸头锥上小型化共形短路遥测天线及优化设计方法。该天线采用低介电常数柔性薄介质基底材料实现弹载共形，基于多短路针加载短路面的原理，逐步优化和确定了小型化共形短路遥测天线的各种参数，实现了天线的小型化。采用两片共形短路遥测天线对称配置形成的微带天线阵方向图具有在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐射特点。该天线外形尺寸为宽21 mm,长20.5 mm，厚0.5 mm。仿真、测试与试验表明，弹丸头锥上小型化共形短路遥测天线体积小、易加工安装、方向图稳定且具有抗高过载能力。研究成果可应用于小尺寸平台的遥测和弹道修正弹的弹载共形微带天线阵设计。