弹载圆极化微带天线设计＊

常树茂

（西安邮电学院，西安 710061）

0 引言

炮射弹载雷达系统是目前所研制的精确打击武器系统之一。要使这种先进的武器系统能在全天候的战场上都有较高的命中率，弹载雷达天线的极化应为圆极化。因为水滴对圆极化波的反射是反旋的，而雷达目标对入射的圆极化波产生的反射波是椭圆极化波，两者具有相同的旋向。因此，圆极化波的抗雨雾能力比线极化波强得多。

圆极化波天线的结构多种多样，但对于弹载雷达而言，所设计的天线在满足电气技术指标的条件下，还必须具有空间尺寸小，抗过载能力大。而微带天线低剖面尺寸小；辐射面垂直弹轴放置抗过载强；也比较容易实现圆极化。所以文中选用微带天线形式，给出了弹载圆极化微带天线的设计公式、具体尺寸和最终仿真结果。这种设计结果经实践证明是正确的和实用的。

1 天线设计理论

1.1 圆形微带天线设计理论

微带天线的形状有很多种，最常用的是矩形、圆形、圆环形和三角形。因为弹体为圆形，所以弹载天线选择圆形微带天线较合适。设圆形微带天线的贴片半径为a，当h≪λ0，贴片与接地板之间可看成是四周为磁壁，上下为电壁的谐振空腔。用模展开法求解空腔内场，得圆形微带天线TMnm模的谐振频率（GHz）为［1］：

式中a是计入边缘效应后的等效半径（cm），它与物理半径a′的关系如下：

圆形微带天线一般工作在TM11主模。对主模有：

工作在TM11模的谐振电阻为：

式中：ρ0是馈点到圆形微带中心的径向距离；Gr是圆形微带天线的辐射电导。

由上式可知，随着馈点移向圆形天线中心，输入电阻不断减小，直至为零。因此可选择馈点径向位置来获得所需的输入电阻值。

1.2 小型化微带天线设计

由于弹体的空间有限，要使微带天线能安装到弹体上，且方向性较好，进一步缩小天线尺寸是需要的。小型化微带天线结构设计方法很多［2－5］，但总体分为两大类。一类是在天线中植入槽孔的方式缩小天线尺寸［6－7］。其基本原理是在主模电流的路径上植入槽孔，使得等效电流长度变长，进而达到天线尺寸缩小。另一类是在天线中植入电阻或短路棒的方式缩小天线的尺寸。其基本原理是在主模电流的路径上植入电阻或短路棒来改变金属片上电场的零点位置。虽然后一类缩小的尺寸比前一类缩小的尺寸要多，但其远场的交叉极化分量大，增益低。考虑天线增益、交叉极化分量及弹体天线允许的空间，本设计选择在天线中植入槽孔的方式来缩小天线的尺寸。槽的位置如图1所示。

图1 微带圆极化天线辐射片

1.3 圆极化微带天线的实现

微带天线实现圆极化波常用的方法是正交馈电和一点馈电。正交馈电需用馈电网络，而馈电网络自身占用空间，这对弹载天线不太适用。一点馈电无馈电网络，馈电简单且天线整体占用空间小，所以本设计选用一点馈电方式。

根据腔模理论，在圆形微带天线上附加一简并模分离单元ΔS＝S1＋S2（S1＝S2），如图1所示。使简并模分离单元的谐振频率产生分离。工作频率选在两个简并模分离单元谐振频率之间。当简并模分离单元大小选择合适时，对工作频率而言，一个模的等效阻抗相角超前45°，而一个模的等效阻抗相角滞后45°，从而形成圆极化波［8－10］。圆形圆极化微带天线的简并模分离单元的大小可按下式计算［11］：

式中：ΔS是简并模分离单元的面积；S是辐射片的面积。

2 天线尺寸和仿真曲线

2.1 天线的具体尺寸

考虑到弹体天线的空间尺寸有限和工作频带要求，选择天线介质基片的介电常数εr为5，厚度h为2mm。利用式（1）至式（3）可以计算出圆形天线半径R约19.5mm。为实现圆极化波，增加简并模分离单元。使用式（5）～ 式（6），计算出切角深度T约1.1mm。利用式（4），令R11＝50Ω，计算出馈点距圆盘中心的距离D约2.3mm。为了实现右旋圆极化，馈点位置和槽中心线成45°角。为了缩小天线尺寸，在圆形天线内以圆心为垂点，垂直开2条长L为18mm、宽W为1mm的槽。由于这些槽的存在，使馈点位置稍稍移向圆心［6］。根据经验在天线内开这样一些槽，尺寸大约能缩小约10%～20%。这里按15%缩短比，取R为16.6mm，馈点距圆盘中心距离D取2.1mm。考虑天线仿真精度和计算量，取弹体高度100mm。天线结构及坐标位置如图2所示。

图2 天线结构图

2.2 天线仿真

设计所使用的天线尺寸有些是利用天线理论的近似公式计算所得，有些则是经验预估，这样设计的尺寸与实际工程要求是有较大的误差。根据弹体实物，利用仿真软件反复调试，最终得到满足给定指标的天线。Ansoft公司的HFSS三维电磁结构仿真软件是一个仿真精度很高的软件。只要考虑的仿真结构尺寸和实际工作的结构尺寸很一致、基板材料的介电常数很一致。由经验知，仿真结果和实测结果基本吻合。

使用HFSS仿真软件进行仿真。经过对天线各个参数的多次调整和优化，最终设计出的天线尺寸为：辐射面半径R为16mm，开槽宽度W为1mm，开槽长度L为16.8mm，切角深度T为0.95mm，馈点距中心距离D为1.9mm。

2.3 仿真曲线

图3是XOZ面右旋圆极化方向图；图4是YOZ面右旋圆极化方向图；由图看出半功率波瓣宽度超过100°，天线增益达到4.7dBi。

图3 弹载天线XOZ面方向图

图4 弹载天线YOZ面方向图

图5是极化轴比图，天线正前方的极化轴比是1.06dB，在±60°的天线方向扫瞄空间内，天线极化轴比小于3.3dB。

图5 弹载天线极化轴比图

图6是天线输入端的史密斯圆图。图7是天线输入端的电压驻波比图。驻波比小于1.5的频带宽度大于1.8%。驻波比小于2的频带宽度大于2.5%。

图6 弹载天线输入端的史密斯圆图

图7 弹载天线电压驻波比

3 结论

文中设计的弹载圆极化微带天线，在0°方向上极化轴比是1.06dB，在±60°的天线方向扫瞄空间内，极化轴比小于3.3dB，说明天线圆极化效果好。天线方向图后向辐射小，前向辐射的半功率波瓣宽度超过100°，天线增益达到4.7dBi。这样的辐射方向图优于总体给定的天线指标。微带天线的工作带宽主要由天线输入端的电压驻波比决定。由天线电压驻波比图知，天线驻波比小于2的频带宽度大于2.5%。这个频带宽度满足给定天线的技术指标。

根据仿真设计加工的天线由于基板材料的实际介电常数值和标称的介电常数值稍微有差异，实际产品的测试和调试是需要的。经改进后的天线满足技术指标要求，已应用到产品之中。

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