弹丸头锥上对称配置的S波段微带天线阵

付 强,曹少珺,余孝安,乔 飞

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

伴随着我国无线电通信系统小型化和无线电遥控遥测的发展,弹载天线与系统的一体化设计、弹载天线的抗高过载性能、小型化以及安装工艺简便可靠化在军事上是一个重要的研究方向,其应用前景非常广阔[1]。在飞行器运动载体通信平台上,共形微带天线是比较理想的通信天线之一。所谓共形微带天线,是指附着于载体,完全与载体贴合的微带天线[2]。传统的微带共形阵是把功分器与天线连接在一起,然后采用输入阻抗为50Ω馈线进行馈电,设计出微带共形阵。

目前,对于需要使用弹载天线的发射过载高的弹种,抗高过载的弹载天线一直是天线设计和弹载天线安装的关键点[3]。但是,在弹道修正弹和遥测等应用平台上的弹载天线的抗高过载安装方法一直没有很好的解决方案。这方面的研究者为解决抗高过载问题,在微带共形阵背面涂抹导电胶并用特殊定制的夹具将天线与弹体固定,在高温箱中烘烤2～3 h将天线固定在弹体上;这种安装方法工艺复杂、操作不方便、效率低,而且很容易导致天线性能经过高温发生改变,可控性低。

文中针对以前传统的微带共形阵在弹道修正弹和遥测等应用平台上安装困难及抗高过载的问题,研究了一种弹丸头锥上对称配置的抗高过载S波段微带天线阵。

1 传统微带共形阵在抗高过载中的问题

传统的微带共形阵,如图1所示,是把功分器与天线单元设计为一体印制在一整张介质板上,然后采用输入阻抗为50Ω馈线进行馈电,设计出微带共形阵[4]。传统微带天线阵是通过背馈方式利用射频电缆线与弹体内部的信号处理电路板的射频输入端连接,完成信号的传输。在安装传统微带天线阵时,弹载微带共形阵需缠绕紧贴锥体或圆柱体的整个侧表面。传统的微带共形阵在弹道修正弹和遥测的应用中,缠绕锥体或圆柱体整个侧表面的安装方式一般有两种:1)直接将天线介质板用螺钉或其他机械方式固定在弹体表面,因为介质板强度不高且这种天线面积一般比较大,所以这种安装方式的微带天线阵抗高过载能力弱、安装效率低;2)通过在微带共形阵背面涂抹导电胶的方式将天线固定在弹体表面,这种方式安装效率低、成品率不高、天线安装完成后,测试弹载天线性能不能满足要求时无法更换天线,整套天线和弹体结构件均作废。

传统的微带共形阵的安装方式出现以上问题,主要是由于传统的微带共形阵尺寸比较大,在整个弹体侧表面安装时,微带天线阵基板需要紧贴头锥外表面且在天线基板变形的状态下进行操作,天线基板和弹体进行配孔安装时,弹体和天线基板的对应安装定位孔的确定工序复杂,使得传统微带天线阵安装时至少需要2人,导致安装效率低且安装不可靠,并且在旋转离心力的条件下,天线可能会脱离弹体,导致天线损坏。

图1 传统的微带共形阵形式(圆柱体或锥体)Fig.1 Conformal array of traditional microstrip(Cylinder or cone)

2 弹丸头锥上对称配置的抗高过载微带天线阵

为解决传统微带共形阵在弹道修正弹和遥测等应用平台上安装困难及抗高过载的问题,采用天线左右单元边缘开槽的方法对矩形天线辐射单元小型化设计,设计出了弹丸头锥上对称配置的抗高过载S波段微带天线阵。该微带天线阵采用天线单元与微带功分器分离的形式,在不影响弹体气动力的前提下对弹丸头锥对称铣削出对称的小尺寸平台用来安装微带天线单元,小型微带天线阵安装结构示意图如图2所示。微带天线阵的两个天线单元对称安装在弹丸头锥上铣削出的小平面上,再由微带功分器进行等幅同相馈电,其中微带功分器放置在锥体内部,天线单元通过背馈方式与微带功分器连接。

图2 抗高过载小型微带天线阵安装结构示意图Fig.2 High overload resistance to small microstrip antenna array mounting structure

天线单元抗高过载是天线阵抗高过载的关键。为此,提出了一种基于钢片基底的小型微带天线单元,基于钢片底板的天线单元示意图如图3所示,天线基板为菱形而钢片基底为相同宽和高的矩形。天线基板和钢片基底的宽×高为23 mm×30 mm。天线单元背面的覆铜箔直接焊接到钢片基底上。

图3 基于钢片底板的天线单元示意图Fig.3 Steel plate on the antenna element

安装时,首先将背馈电缆穿过引信头锥的孔引入内部,将带钢片基底的天线单元用螺钉固定在弹丸头锥上的小平面上,定位精度由钢片上孔的公差保证。然后通过从后部拉出的电缆测试天线,如果天线指标不正常,可更换天线单元。测试结束后,量好长度,剪去多余电缆。此时从后向前看,电缆线头正好对准微带功分电路板的输入节点,焊接即可。

3 仿真及测试验证

3.1 仿真验证

本文设计的微带天线阵工作频率为S波段,小型化微带天线单元仿真模型如图4所示;依据微带基础知识设计S波段微带二功分电路如图5所示;微带天线阵驻波比系数仿真曲线如图6所示;微带天线阵E面和H面仿真方向图如图7所示。

图4 小型化微带天线单元仿真模型Fig.4 Compact microstrip antenna element simulation model

图5 微带二功分电路Fig.5 Microstrip two power sub-circuit

依据弹丸头锥上对称配置的抗高过载微带天线阵仿真设计,安装了试验样机如图8所示。利用anritsu37369c矢量网络分析仪测量天线阵的驻波系数(VSWR)结果如图9所示,通过对比与天线阵仿真驻波系数结果基本一致。

图8 天线阵样机Fig.8 Antenna array prototype

图9 天线阵的实测驻波曲线Fig.9 Curve of the measured standing wave antenna array

在微波暗室对天线阵样机进行了方向图的E面,H面测试,实测E面方向图如图10、实测H面方向图如图11,通过对比与天线阵仿真方向图基本一致。

通过仿真数据和天线阵实测数据对比,在天线阵的工作频段(S波段)内天线方向图、天线阵驻波系数性能良好,均能满足设计指标。

图10 天线阵的实测E面方向图Fig.10 Measured E-plane antenna array pattern

图11 天线阵的实测H面方向图Fig.11 Measured H-plane antenna array pattern

3.2 安装工艺对比

通过样机实际安装过程,与传统微带天线阵对比本文设计的S波段弹丸头锥上对称配置的抗高过载微带天线阵在安装工艺上有如下优点:

1)安装方便,天线易于更换

传统微带天线阵采用导电胶的方式时,在利用导电胶高温加固过程中天线如有损坏或者后期天线测试如果性能不满足,整套天线和弹体结构件均作废;相比之下抗高过载微带天线阵的天线单元焊接到钢片基底时,如果天线焊接中出现损坏或者后期天线测试如果性能不满足,天线基板作为一个单独部件易于更换。

2)安装工艺简单、效率高

传统微带天线阵与头锥进行共形安装时,微带天线阵的基板首先必须弯曲紧贴头锥外表面,然后对基板和弹体进行配孔安装,弹体和天线基板的对应安装定位孔的确定工序复杂,由此传统微带天线阵的定位安装工艺明显复杂且废品率高,整个过程至少需要两人以上才能配合加工安装,例如采用导电胶的方式,需要2到3人。一天的天线装配量为16套;而基于钢片基底的天线单元与头锥“共形”安装时,天线单元基板保持平面不变形的情况下与头锥近似共形安装,且只需要在考虑机械加工误差的情况下就能确定天线基板和头锥上铣削出的小平台的对应安装定位孔,通过实际操作抗高过载微带天线阵安装仅需一人一天就能安装并且调试好40套。

3)微带单片弹载天线尺寸小(天线单元不到5 cm2),便于安装

如选择传统微带共形阵,其尺寸约为60 mm×115 mm,尺寸远远大于抗高过载天线单元,传统微带共形阵尺寸大天线基板需要紧贴头锥外表面且在天线基板变形的状态下进行安装,微带单片弹载天线尺寸小天线基板平放于铣削出的小平面上安装,显然小尺寸微带单片弹载天线更容易安装。并且由于尺寸小,与头锥近于共形,对气动特性影响不大。

3.3 实验室测量与试验

对天线阵样机进行了实验室测量与试验考核天线阵性能指标。

1)考核抗高过载性能

在例行试验室,通过马歇特锤击实验,试验考核天线阵样机通过抗过载超过20 000 g。另外,样机通过空气炮试验考核。由此,能说明微带天线阵具备有抗高过载能力。

2)S波段天线性能指标测试

利用矢量网络分析仪测试天线阵样机S波段的驻波比,测试结果如表1驻波比测试结果。

表1 驻波比测试结果Tab.1 VSWR test results

由表1可以看出微带天线阵的在工作频段内(2 425～2 470 MHz)均小于2。在微波暗室2.45 GHz频点测得微带天线阵的增益为3.1 d B。

3.4 外场试验验证

为准备外场试验验证,总装调试40多套样机产品。进行了以下试验进行验证:

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

2)所有样机产品通过靶场炮射试验验证,通信成功率达到99%以上。

通过外场试验验证,对称配置的抗高过载微带天线阵性能指标优良。

4 结论

本文提出了弹丸头锥上对称配置的抗高过载S波段微带天线阵。该微带天线阵采用天线单元与微带功分器分离的形式,两个天线单元介质基片贴在23 mm×30 mm的钢片上,用螺钉固定在头锥上铣削出的小平面上,在头锥两侧对称布置。微带功分器放置在锥体内部,天线单元通过背馈方式与微带功分器连接,进行等幅同相馈电。仿真、测试与试验表明:S波段弹丸头锥上对称配置的抗高过载微带天线阵性能指标优良、安装工艺简单且具有抗高过载能力。研究成果可应用于各种尺寸的遥测和弹道修正弹的弹载共形微带天线阵设计。

[1]朱松.共形天线的发展及其电子战应用[J].中国电子科学研究院学报,2007,2(6):562-567.ZHU Song.Development of conformal antenna and its EW applications[J].Journal of china acadewy of electronics and information technology,2007,2(6):562-567.

[2]张凡,张福顺,赵刚,等.共形天线阵列方向图分析与综合[J].西安电子科技大学学报,2010,37(3):496-501.ZHANG Fan,ZHANG Fushun,ZHAO Gang.Pattern analysis and synthesis of the conformal antennas array[J].Journal of xidian university,2010,37(3):496-501.

[3]吴琛,张敏,吴睿,等.弹载共形导引头天线的仿真优化[C]//2009年全国天线年会论文集.成都 :中国电子学会天线分会,2009:1 428-1 433.

[4]鲍尔 I J.微带天线[M].北京:电子工业出版社,1984.