S波段弹载缝隙加载伞形印刷振子天线

常树茂

（西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710061）

0 引言

弹上天线是弹载多普勒雷达系统中最主要的部件之一。这种天线的要求是尺寸小、抗过载能力大、成本低。为满足弹上天线的这些要求，已经设计出多种弹载天线［1－2］，伞形印刷振子天线就是其中的一种［3］。由于伞形印刷振子天线充分利用了弹体前端锥形空间，在相同工作频率上，这种天线的后向辐射较少、增益较高。但对有些小弹体而言，在引信要求的工作频率上，设计出的伞形印刷振子天线的尺寸仍较大。如何在伞形印刷振子天线的基础上进一步缩小天线尺寸的方法未见报道。本文提出了一种在伞形印刷振子天线的基础上，通过开缝加载进一步降低天线谐振频率，从而缩小天线尺寸的方法。

1 印刷振子天线及加载

伞形印刷振子天线实际上是一种折叠印刷振子天线，它由接地板、短路耦合线、开路传输线和微带振子单元组成，如图1所示。

图1 典型伞形印刷振子天线结构Fig.1 Structure of printed dipole umbrella antenna

接地板、短路耦合线和微带振子单元位于介质基板一侧，开路传输线位于介质基板的另一侧。信号能量由开路传输线的底部馈入，通过短路耦合线平衡耦合到两个印刷振子单元上。这种由接地板、短路耦合线、开路传输线组成的馈电部分称为平衡馈电巴伦（balun）。天线的每个印刷振子单元的几何长度Le为：

式中，f为工作频率，C为光速，εe为等效相对介电常数，t为振子天线铜层厚度，εr为天线介质基板相对介电常数。

为了缩小天线的尺寸，使天线在有限空间具有相对较长的电长度，把振子单元折叠成伞形，折叠后的几何长度比直线长度稍有不同。

为了进一步减小天线尺寸，可以在伞形印刷振子天线上加载［4］，天线加载的方法可以改变天线上电流分布，从而使天线的谐振频率进一步降低。关于振子加载天线的研究，前人已经做过很多工作，如文献［5］是第一个根据传输线理论研究了偶极子天线加载问题。在距离开路末端1／4波长处串联一个等于开路线特性阻抗的电阻，可以在天线上得到行波电流。文献［6］提出用RLC并联电路对单极子天线实行分段加载，同时借助遗传算法和计算机模拟全局搜索最佳加载位置和加载元件值，成功设计了30～450MHz单鞭和双鞭加载天线。最近，又有专家结合加载快速处理技术以及GA与SA相结合的优化设计方法设计制作了单鞭天线［7］，进一步优化了天线的性能指标。根据目前能查阅的资料看，未见在伞形印刷振子天线上加载的报道，本文参照单极子加载原理，对伞形印刷振子天线进行了加载研究和设计。在伞形印刷振子天线的内侧通过开槽形成电容加载。这种加载方法对天线辐射特性影响不大，但可以缩小天线尺寸。

2 缝隙加载伞形印刷振子天线

2.1 馈电网络结构

为了缩小天线尺寸，本文把典型平衡馈电巴伦中的四分之一波长短路耦合线设计成宽传输线，馈电微带线位于宽传输线中心。把典型平衡馈电巴伦中的四分之一波长开路传输线设计成和印刷振子直接耦合的具有辐射能力的二分之一波长开路传输线，其结构如图2所示。约四分之一波长短路宽传输线上的电流分布类似四分之一波长短路耦合线上的电流分布，所以图2结构的等效原理图和典型平衡馈电巴伦（balun）的等效原理图3类似。

图2 加载天线结构Fig.2 Structure of loaded antenna

图3 平衡馈电结构等效电路Fig.3 Equivalent circuit of balanced feed structure

由图3平衡馈电巴伦等效电路可得到整个天线的输入阻抗Zin为［8］：

式中，Za，θa是开路传输线的特性阻抗和电长度；Zab，θab是短路传输线的特性阻抗和电长度；Zb，θb是馈电传输线的特性阻抗和电长度。

式（5）中，Zd是印刷振子的输入阻抗［9－10］；2L是印刷振子的长度；α是印刷振子上的衰减常数；β是印刷振子上的相移常数。

2.2 印刷振子参数

从天线辐射效率和加载的角度考虑，印刷振子的宽度应选择的宽些。印刷振子宽辐射效率高且加载开缝时对天线辐射性能影响小。但宽的振子产生端头效应，使振子的实际长度变短。所以振子的实际长度应当修正，修正量为振子宽度W 的1／4，即

式中，2Le为振子几何长度。

由于天线的空间尺寸有限且弹载多普勒雷达系统工作频带要求不宽，选择天线介质基片的介电常数εr为9.6，厚度h为1mm。振子臂宽度4.3mm，振子臂长19.7mm；馈电微带宽度为1mm；馈电匹配传输线长7mm，匹配传输线宽度2mm；短路传输线长度10mm，短路传输线宽度7.5mm。

2.3 印刷振子加载参数

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、加载元件、加载的组合形式等，是一个多变量复杂问题，精确的解析分析是困难的。一般均借助计算机模拟和最优化技术寻求加载的最优解。根据电磁场理论，为了保持天线加载前和加载后的辐射特性基本不变，加载的位置应尽量避开辐射点或辐射边的位置。根据Altshuler加载的经验，本设计使用二段微带传输线作为集成电抗性负载，各段微带传输线负载的一端开路，一端接在辐射贴片上，如图2所示。沿靠近天线中心轴的两条非辐射斜边自上而下向外侧各开一缝隙。缝隙的宽度设计为0.3mm，缝隙设计的太宽将较大影响辐射方向图和辐射效率。选天线的地面反射板直径28.9mm，反射板以下为弹体，弹体的最大直径41 mm。天线基板的外形是梯形，梯形上底边长15.26 mm，下底边长28.5mm，高24.1mm，天线形状如图4所示。

图4 天线结构图Fig.4 Structure of the antenna

3 天线仿真

本文使用Ansys公司的HFSS有限元算法软件对尺寸为32mm×18mm一般伞形印刷振子天线和加载伞形印刷振子天线进行了仿真计算。天线如图1所示，图中黑色部分是馈电面，浅色部分是辐射面（辐射面的另一辐射臂被馈电面耦合传输线遮挡）。图5（a）是未加载天线输入端的电压驻波比图，未加载天线的谐振频率为3.2GHz。图5（b）是加载天线输入端的电压驻波比图，天线的谐振频率为2.7GHz。驻波比小于2的频带宽度约为3.7%，对于振子天线而言频带是较宽的。

图5 天线电压驻波比Fig.5 Voltage standing wave ratio of the antenna

由图6加载天线辐射方向图看出半功率波瓣宽度约70°，天线增益大于5dBi。

图6 天线辐射方向图Fig.6 Radiation pattern of the antenna

通过H面方向图发现，在振子臂对应方向上辐射值较大，这影响了天线最大方向增益。分析其原因，一是因振子有一臂为耦合臂，造成两伞形辐射臂上电流分布及大小都有不同；二是振子末端除电流分布影响外，它和反射地板距离较近，更加影响天线的辐射性能。笔者调试发现，当天线基板尺寸和振子臂斜度不变，天线振子形状类似的条件下，当频率升至3GHz以上时，在弹轴垂直面方向辐射都很小，天线H面方向图趋近圆形。图7是加载天线输入端的史密斯圆图。

图7 输入端史密斯圆图Fig.7 Smith chart of the input terminal

4 结论

本文在伞形印刷振子天线上进行了缝隙加载。通过在沿靠近伞形天线中心轴的两条非辐射斜边自上而下向外侧各开一宽0.3mm、长3.27mm的缝隙，进一步降低了天线的谐振频率，即进一步缩小了天线尺寸。仿真结果表明：对于伞形印刷振子天线，在沿靠近天线中心轴的两条非辐射斜边自上而下向外侧各开一条较窄缝隙，可使伞形印刷振子天线在工作频率2.7GHz时，尺寸缩小15%。这种天线的不足是H面方向图的幅度起伏较大，有可能使系统在某一方向上探测灵敏度不够。如何减小H面方向图的幅度起伏是进一步研究的方向。

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