具有宽带端射特性的弹载微带阵列天线

马文超,聂 荣,潘丽娜,李科连

(江西洪都航空工业集团有限责任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

近年来,随着无线电技术在军事装备中迅速发展,天线作为通信、雷达、导航及定位等信息系统的终端越来越多的应用到导弹、火箭等飞行器中。随着末端制导、弹道主动修正、导引头及反辐射导弹等高科技信息化弹药的发展,对弹载天线提出了越来越高的要求[1-3]。首先,为降低天线系统对平台气动性能的影响,一般要求天线与平台要共形设计;其次,天线的最大辐射方向需朝弹头或者弹尾方向,即要求天线具有良好的端向辐射特性;最后,为了提升系统信息传输速率及抗干扰能力,天线需满足宽带工作特性。因此,具有端射特性的弹载共形宽带天线的研究是具有现实意义的。

传统的宽频带端向辐射天线有以下三类典型结构：1) Yagi-Uda天线,通过增加激励振子数目和宽带馈电电路进行馈电可实现宽带工作和端向辐射[4];2) 渐变槽线结构的Vivaldi天线、LTSA天线[5]等;3) 具有非频变结构特性的对数周期天线、螺旋天线[6]等。这些天线均具有良好的端向辐射特性且工作带宽较宽,但其结构尺寸较大,难以与弹体平台共形设计,同时弹体为金属载体对天线辐射及阻抗特性影响巨大。微带天线具有低剖面结构紧凑的特点,易于弹体实现共形设计,但通常微带天线的工作带宽较窄。其他文献中介绍了带宽较宽的微带天线形式[7-9],但这些天线的剖面变大,不适用于共形设计且不具有端射辐射特性。本文针对此问题,在基于圆形微带贴片天线的基础上,引入环形扇区结构的引向器,有效利用圆形贴片与引向器之间多模谐振模式展宽工作带宽的同时,实现微带阵列天线端射辐射模式。

1 基本概念

1.1 天线方向性和增益

天线的方向性即在给定方向上,天线辐射的功率密度U与全向天线辐射的平均功率密度的比值。平均功率密度为天线辐射的所有功率Prad与4π的比值。天线方向性系数与两个正交面的波束宽度相关,相对关系如下：

(1)

式(1)中,D为天线方向性系数,θ1和θ2分别为两个面的波束宽度。

天线增益G为天线方向性系数D乘以天线效率：

G=η·D。

(2)

1.2 天线带宽

通常天线带宽有两种表示方法,一种称为“相对带宽”,其定义为：天线的绝对带宽2Δf与工作频带内中心频率fc之比,即：

(3)

式(3)中,fh和fl分别表示工作频带的上限频率和下限频率,fc为工作频带的中心频率。天线带宽又具体分为极化带宽、阻抗带宽、增益带宽及方向图带宽等,通常情况,认为天线带宽大于10%即为宽带天线。

1.3 端射特性

端射的概念最初来源于一维长直阵列天线,是相对于“边射”(或称为“侧射”)而定义的。顾名思义,指的是天线波束最大辐射方向指向阵列排布轴线的这种辐射特性。与一般边射特性不同,阵列端射辐射特性的实现需要经过特殊干预,在阵列上形成一个沿排列轴线相位依次滞后的阵元能流分布,且滞后的相位值满足一定条件。

2 宽带端射共形微带阵列天线

2.1 工作原理

天线的设计原理类似于带有寄生贴片的传统微带天线,天线谐振频率是设计的关键技术点。为了展宽天线工作频段,需要设计产生多个相邻的谐振频率。

使用谐振腔模型分析计算圆形扇区贴片和环形扇区贴片的谐振频率。由于电场的边缘效应,假定圆形扇区和环形扇区的有效辐射半径为Re,介质板材的有效介电常数为εe,扇区实际半径R及介质板材现对介电常数εr的转换关系为

(4)

(5)

圆形扇区激励单元的谐振模式非常关键,不仅决定自身的电流分布还影响作为引向器的耦合环形扇区的谐振频率。TM11模式下圆形贴片的径向和周向都有较强的辐射电流,更便于耦合单元产生不同模式的谐振频率,因此将激励单元设计为TM11模式,其谐振频率计算为

(6)

TM10径向模式的谐振频率和TM12周向模式的谐振频率可通过下式计算而得

(7)

(8)

式中,c为光速,εe为等效介电常数,R1e、R2e及R3e分别为激励单元、引向器1和引向器2的等效半径。因此可见,可通过调节控制这些参数来调整天线产生的谐振频率,当激励单元于双极引向器产生合适的耦合时,可以获得较宽的工作带宽。

2.2 天线设计

根据上述原理分析,不同于常规的矩形微带贴片形式,将微带天线的激励单元设计为圆形扇区结构,将外加的双极引向器设计为环形扇区结构。天线的结构和参数尺寸如图1所示。

图1 天线结构尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of antenna structure dimensions

天线印刷在介电常数为2.55、厚度h为1.5 mm的介质基板上,介质板材外形为矩形结构,底部大面积金属覆铜构成反射地板。可以采用单个或者多个环形扇区构成引向器,本设计兼顾天线外形尺寸和方向图特性,使用两个引向器。将馈电激励单元D设计为圆形扇区贴片,半径为R1,类似八木天线的有源阵子,外形为环形扇区的引向器D1置于激励单元D一侧,半径宽度为R2,与激励单元D之间的间隙宽度为W1;环形扇区的引向器D2置于引向器D1旁边,半径宽度为R3,与引向器D1之间的间隙宽度为W2。激励单元D与引向器D1、D2为同心圆结构,具有相同的张开角度φ。可采用穿过介质基板的同轴结构对激励单元D进行馈电。

天线具体尺寸为：L=93 mm,W1=0.54 mm,W2=0.9 mm,R1=25 mm,R2=23 mm,R3=20 mm,L1=22.8 mm,h=1.5 mm、φ=61.5°。

2.3 尺寸参数分析

通过电磁仿真软件HFSS进行天线电性能特性仿真,研究共形宽带微带天线的谐振特性。仿真中对天线尺寸参数进行优化,调整天线尺寸参数得到天线谐振频率的变化规律。

如图2所示：随着圆形扇区半径R1的增加,谐振频率随之往低频偏移;扇区的张角φ对第三个谐振频率的影响明显,随着φ角度的减小而增加。间隙宽度W1也是调节阻抗匹配的关键参数,激励单元D和引向器D1之间的间隙必须非常窄才能产生强耦合,如图3所示,选择适当的W1参数能够获得天线较宽的工作频带。

图2 天线反射系数(S11)随R1变化曲线Fig.2 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with R1

图3 天线反射系数(S11)随W1变化曲线Fig.3 Reflection coefficient (S11) curve of antenna changing with W1

3 仿真验证

在基于全波电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线仿真优化的基础上,得到最终的天线设计参数。依据设计制作出天线实物,如图4所示。

图4 天线加工实物图Fig.4 Picture of the antenna processing

天线驻波比测试和仿真对比结果如图5所示,由于微带介质板材介电常数有偏差的影响,天线驻波比结果有略微差异,但大体上基本保持一致,天线驻波比小于2的带宽大于13.1%(由2.15～2.45 GHz)。天线增益的实测和仿真对比结果如图6所示,天线实测增益大于9.2 dBi,基本达到仿真预期。通过对比天线实测增益和仿真方向性系数,得到天线辐射效率在工作频率2.3 GHz处大于85.5%,主要的损耗来自微带板材的介质损耗。图7—图9为天线在2.15、2.3、2.45 GHz处两个面的方向图实测结果,由图可见天线实测方向图特性与仿真结果非常吻合,方向图对称性良好,有较好的单向辐射特性。

图5 天线反射系数仿真及测试对比结果Fig.5 Simulation and test results of antenna reflection coefficient

图6 天线增益仿真及测试对比结果Fig.6 Simulation and test comparison results of antenna gain

图7 天线2.15 GHz俯仰面方位面实测方向图Fig.7 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.15 GHz

图8 天线2.3 GHz俯仰面方位面实测方向图Fig.8 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.3 GHz

图9 天线2.45 GHz主极化与交叉极化实测方向图Fig.9 Elevation and azimuth plane measured pattern of antenna at 2.45 GHz

4 结论

本文提出一种具有端射特性的新型弹载宽带共形微带阵列天线。该天线在圆形微带贴片天线的基础上,加入环形扇区结构的双级引向器,利用引向器与激励单元之间的耦合谐振,实现微带天线宽带工作的同时方向图具有端向辐射的特性。该天线具备有微带天线低剖面、结构紧凑的特性,易与弹载等搭载平台实现共形设计。天线实测结果表明,该阵列天线能够在2.15～2.45 GHz实现VSWR<2(相对带宽为13.1%),天线增益大于9.2 dBi,辐射效率超过85.5%。该天线满足弹载平台天线宽带化、共形化、端向辐射特性等功能要求。