弹载螺旋天线及天线罩电气性能分析

2011-06-14于国平路志勇

无线电工程 2011年2期

于国平,路志勇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

在弹载天线的设计中,天线罩的作用不仅仅是保护天线免受自然环境影响,更是为了保证弹体的空气动力学性能。由于在弹载条件下对天线的尺寸有严格限制,因此在设计天线罩时,天线罩无法远离天线辐射体,甚至要紧贴辐射体。这层介质罩对天线所产生电磁场的反射和吸收,使天线的电气性能发生显著变化,这种变化在进行天线电气设计时要予以充分考虑。

对于某种要求的弹载天线,要求天线具有11 dBi左右的增益和35°左右的波束宽度。由于安装要求和弹体的空气动力需要,天线需要做成直径很小的圆棒状。由于普通的螺旋天线需要直径较大的反射盘,因此不能用在弹体上。在这里采用特殊的反射器代替普通螺旋的反射盘,反射器的直径与螺旋直径相当,因此天线的直径远小于普通螺旋的直径,非常适合于弹载。

1 弹载天线的设计

1.1 天线的要求

在航天电子通信中,根据弹载通信要求需要安装体积小、重量轻和方向性强的圆极化天线。弹载天线的电性能要求为:工作带宽7.2%,驻波比＜1.5,轴比＜2,最大方向系数≥11 dB,天线主瓣的半功率角宽度≥35°。根据弹载天线的电性能要求、使用环境和对天线尺寸的限制,天线形式选择螺旋天线。

1.2 小直径螺旋天线的参数设计

对于普通螺旋天线,需要直径约为 0.75～2 λ0(λ0为天线中心频率所对应的波长)的接地面,而弹载的安装环境需要体积小的天线,这就需要改变螺旋天线的接地面,天线形式选择小直径的螺旋天线。这种螺旋天线的优点是不需要普通螺旋天线所必需的接地面,因此可以减少安装空间。

对于小直径的螺旋天线,天线的反射器采用特殊的形式,其直径与螺旋直径相同,按照螺旋天线的设计原则,螺旋一圈取一个波长,则直径约为0.3λ0,因此天线直径约为0.3λ0,远小于普通螺旋的直径。

小直径螺旋天线的主要特点是采用直径与螺旋直径相当的小反射器,即用导体环取代普通螺旋的反射盘,如图1所示。

图1 小直径螺旋天线

该螺旋天线具有2个导体环反射器,第1个反射器兼有馈线接地作用。合理控制第2个反射器与第1个反射器间距,可以提高天线增益,降低副瓣和后瓣电平。文献[1]中给出 2个反射器间距可取λ0/3～λ0/2之间,但从实测的数据来看,2个反射器间距取λ0/4左右,可获得最佳的性能。

根据理论计算和试验验证,这种天线的参数取值为 :螺旋直径为0.3 λ0,螺旋升角13°,螺距0.3λ0,采用9圈螺旋。天线可以达到如下的性能指标,如表1所示,表1中Δf=0.1f0。

表1 小直径螺旋天线性能

2 天线罩电气性能分析

由于弹体的空气动力学要求,天线外部必须要加装天线罩。天线罩采用结构可靠的介质材料,如玻璃钢等。因此在分析加罩天线的电气性能时,必须要连同天线罩一起建模。天线和天线罩一体化建模的等效模型如图2所示。

图2 天线和天线罩一体化建模的等效模型

设天线的S面上待求的电流分布为,罩的1内壁S上待求的电流和磁流分布分别为和2罩的外壁S上待求的电流和磁流分布分别为3和。由等效原理和边界条件,可以得到含有上述5种未知数的方程如下:

式中,为天线的激励场;(,)为S3上的电流和磁流在2区的电场,下标1表示场在S1上的切向分量,其他下标依此类推。式(1)～式(5)可展开为:

式中,标号s=1,2,3和v=1,2,3分别为表面标号和区域标号。基函数为三角贴片函数,其定义如下。

设公共边的函数为fn(),且在各三角形中电荷密度为一个常数,则

这样,所有表面上的电磁流均可以近似为:

然后,选择与基函数相同的权函数(即采用Galerkin法),与式(1)～式(5)做内积运算可得到如下矩阵方程:

式中,[V1]为天线激励场与权函数的内积结果。另外,系数矩阵中子矩阵的下标表示其大小,如Z21为N2×N1的矩阵;N2为表面S2的公共边数;N1为表面S1的公共边数,其他依此类推。解矩阵式(15)可直接得到各个表面的电磁流,而其他电气参量可利用求得的电磁流进一步求解得到。

3 测试结果分析

根据以上分析实际制作了这种螺旋天线,考虑结构需要,在制作时首先在选定直径的介质棒上加工出绕制螺旋线的细槽,把铜线绕在细槽里,用高强度的粘合剂把铜线与介质棒粘接好,第2个反射器与第1个反射器间距为0.247λ0,天线罩材料采用尼龙,厚度为1 mm,紧包围在螺旋上。天线加罩和不加罩的实测驻波比结果如图3所示,加罩后天线的驻波比向低端偏移。图3中△f1≈0.04f0,8%带宽范围内,驻波比小于1.5。