基于S波段弹载遥测系统的微带天线*

姚琴琴,马铁华,谢　锐,郑凤芹

(中北大学电子测试技术国家重点实验室, 太原　030051)

基于S波段弹载遥测系统的微带天线*

姚琴琴,马铁华,谢锐,郑凤芹

(中北大学电子测试技术国家重点实验室, 太原030051)

摘要:随着信息技术快速发展,在炮弹落地测试仪器不好回收的情况下,研发了弹载遥测系统,针对遥测系统对天线的特殊要求,采用了理论分析、软件仿真、模拟实验相结合的方法,设计了S波段微带贴片天线,通过HFSS13软件进行仿真,并对仿真结果进行分析,进一步实现了对所设计天线的优化,确保天线方案可行,通过弹载姿态测试仪与天线联调模拟实验,验证了本设计可以应用于实际测试中,可以很好的完成数据的无线传输,实现对测试装置的监控。

关键词:姿态测试;弹载天线;遥测;高频结构仿真器

0引言

随着军事科学技术的迅猛发展,弹丸运行和侵彻过程中各种数据的采集在实际应用中变得越来越重要。弹载数据测试系统是一种专门针对导弹发射试验而设计的数据记录装置,可用以完成导弹飞行过程中各种振动、噪声、温度、热流等环境参数和速度、加速度、旋转等姿态信息的实时记录[1]。目前国内外研制的弹载姿态测试系统已经能够完成对飞行体运动过程中各项参数的采集、存储与分析,实现对弹丸各技术指标的评测。但是,由于子弹或炮弹飞行距离较远,范围较大,并且在炮弹落地瞬间会伴随有高温、高压的现象,这些都会导致系统不能及时的回收,延长了每次试验的周期。因此,在实际情况下,弹载遥测系统的无线实时传输具有更高的战略意义,使得当前弹载测试系统研究的重点放在传感器和弹载单片机的共同作用下,将采集存储的数据通过无线传输模块实时准确的传输到接收设备中。

1天线尺寸的确定

天线工作频率f0=2 400 MHz,则工作波长λ0=125 mm。选用铜作为贴片和探针的材料,所选用的介质基片材料的介电常数为εr,损耗正切tanδ,相对磁导率μr。模型天线形式采用一点馈电方形切角贴片来形成左旋圆极化,如图1所示。

图1　同轴探针馈电方形切角圆极化纵带天线

需要确定的参数有:矩形贴片长L、宽W,介质基片长LG、宽WG,以及馈电点位置ρ。

1.1　贴片宽度W的选择

根据所选介质基片的参数,可算出贴片宽度的初值[2]为:

(1)

1.2　介质基片有效参数μe、εe

1)计算εe

由施耐法经验公式[3]得:

(2)

而由Wheeler理论公式[4]得:

(3)

式中:

(4)

(5)

式(2)与式(3)取均值可确定所选材料εe的值。

2)计算μe

根据Wheeler公式[4]计算μe:

(6)

式中:

(7)

基片有效等效参数:

(8)

3)磁介质基片中的波长

(9)

4)矩形贴片长度的选择

(10)

式中:

(11)

天线设计中要求不能激起高次模,并且使长度L与宽度W相等,多次修改W的取值,重复计算式(1)～式(11)的值,直至W=L。

2测试系统组成

存储遥测系统由弹上部分和地面站两个部分组成,采集存储电路和无线传输电路构成了弹上部分,其中采集存储电路又分为传感器、调理电路、A/D转换电路、存储器和CPLD几个部分;无线传输电路分为单片机、无线收发芯片以及天线;地面站由一个主机和多个节点组成,每个节点又是由无线收发芯片、天线和单片机组成。系统框图如图2所示。

图2　系统总体方框图

弹上部分主要由以下几个部分组成:传感器、调理电路、A/D转换器、存储器和控制单元等构成。其工作过程是:传感器将采集到的爆炸威力场、角度、加速度、姿态等信号传输给调理电路,经过调理电路的滤波放大等处理后进行A/D转换,然后保存在存储单元中。地面站部分是由一个主机、多个节点和天线组成,主要工作流程是:节点接收主机指令,通过天线发送出去,主机也可直接配置节点去测某个频率或地址的信号,从而节点可以快速、及时的捕获数据。

3弹载遥测系统天线设计与仿真

HFSS高频结构仿真器(high frequency structure simulator)是利用有限元方法的三维频域电磁场计算软件,它对求解的微波问题以四面体为单元进行网格剖分,通过对各个剖分单元电场分量的计算来获得各个微波物理量和特性参数[5]。

3.1　微带贴片天线仿真

已知Rogers TMM6(tm)材料的相对介电常数εr=6,相对磁导率μr=1,损耗正切tanδ=0.002 3,按照式(1)～式(11)可求出基片尺寸。对矩形贴片长和宽的试算过程如表1所示。

表1　试算过程

最终选取W=L=25.52 mm,WG=LG=36.085 mm。再求出其他参数的值。

综上,选择了厚度为h=1 mm,相对介电常数εr=6,相对磁导率μr=1,损耗正切tanδ=0.002 3的Rogers TMM6(tm)材料作为设计中应用的基片材料。设计的微带天线尺寸为:W=L=25.52 mm,WG=LG=36.085 mm,C=3.55 mm,ρ=4.976 4 mm。

3.2　仿真结果分析

利用仿真软件Ansoft HFSS13创建了平面微带天线的仿真模型。由仿真结果可知,当对完全采用理论值设计的微带天线进行仿真时,得到的结果并不理想,其工作的中心频率发生偏离,大约在2.43 GHz,特征阻抗Z=54.807 1+2.109 1j。根据经验,可以适当的变动一下馈线的位置、尺寸来实现阻抗的匹配,调整矩形贴片的边长来调节天线的工作频率,直到得到比较理想的仿真结果。

经过大量的建模尝试,最终获得了比较理想的仿真结果,此时设计的天线尺寸为:W=L=24.9 mm,WG=LG=36.085 mm,C=3.55 mm,ρ=4.8 mm。

3.2.1　S参数图

S参数代表了在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值。而S参数图则是给出了天线的S参数随频率变化的图形,通常情况下,默认S参数只有在低于-10 dB时天线才能够正常工作,这时对应的VSWR≈2。绝对频带宽度被定义为S参数小于-10 dB的频率范围,相对频带宽度定义为绝对带宽与中心频率之比。

图3　平面微带天线S参数图

由图3可以看到,所设计的微带贴片天线具有以下的参数:工作的中心频率为2.4 GHz,通带范围是2.390 9～2.410 5 GHz,绝对频带宽度为0.019 6 GHz,相对频带宽度为0.8%,S参数的最低点为-25.640 9 dB,可以满足设计要求。

3.2.2　VSWR图

驻波比(VSWR,voltage standing wave ratio)是衡量天线性能的重要参数,天线正常工作时,通常要求天线的驻波比的值不大于2即要求VSWR≤2。从图4可以看出天线的驻波比的最低值为0.908 2,在2.390 9～2.410 5 GHz频段内驻波比小于2,可以满足天线正常工作的要求,由图3和图4可以看出,S参数图与驻波比基本上保持一致的关系。

图4　平面微带天线电压驻波系数与频率关系

3.2.3　方向图

方向图表示了天线的辐射参量随空间方位变化的图形,从图5可以看出矩形微带贴片天线的对称性较好,在Z轴方向辐射强度达到最大。E面和H面的半功率波束宽度为-54°～54°之间,具有比较宽的波束宽度。

图5　矩形微带天线方向特性

图5(a)为φ=0°的天线方向图,图5(b)为φ=90°的天线方向图。由此可看出天线增益为3.091 7 dB,计算和建模的过程中采用了一定的近似和理想化,实际结果一般要小于这个值,但依然可以满足文中对天线设计的要求。

3.2.4　输入阻抗

天线的输入阻抗一般由电阻分量和电抗分量组成,当存在电阻分量时,天线从馈线提取的功率信号就会降低,因此天线设计的一个重要任务是消除输入阻抗中掺杂的电抗分量,提高电阻分量在馈线的特性阻抗中的比例。匹配的优劣一般是通过驻波比VSWR来衡量。VSWR的值越小,表明反射越小,匹配度越高,传输效率也就越高。

图6　输入阻抗图

图6可得微带天线在2.40 GHz处的输入阻抗为Z=49.653 5+5.200 9j,接近馈线50 Ω的特性阻抗,说明天线与馈线之间的匹配很好。由天线相关理论知识可知,输入阻抗一般都具有电阻分量和电抗分量,存在电抗分量时,会使得天线从馈线提取信号功率的能力降低,所以尽量的减小电抗分量才是意味着天线具有良好的匹配性能。

综上所述,此微带天线在工作频率2.40 GHz处输入电压驻波系数为0.906 2,在2.390 9～ 2.410 5 GHz的频率范围内输入电压驻波系数VSWR<2,电压驻波比VSWR和天线的相对带宽都相当不错,而且结构尺寸也适当,可以满足弹丸尺寸对贴片天线的要求。

4联调测试过程与分析

弹载姿态测试系统采用了CPLD+闪存+单片机的硬件组合,完成对弹丸姿态数据的采集存储,采用单片机+nRF2401+REX2401硬件组合实现数据的无线发送与接收。实验室研发的姿态仪已经经过多次试验的验证,可以完成数据采集存储,为测试无线传输部分可行性,并简化实验过程,测试地点选在空旷的马路上,使用信号发生器输出幅值为4.4 V,频率为1 kHz的正弦波形,系统采集到信号后通过无线发送出去,由距离1 km外的地面站通过无线接收模块完成数据接收,并在上位机上显示出来。波形如图7所示,与输入波形吻合。说明采集存储模块的设计能够完成测试需求。

图7　系统采集到的波形显示

将无线模块接收到的数据保存到上位机上,用文本/HEX编辑器UltraEdit 32软件打开,结果如图8所示,数据完整无误。根据大量实验和对回读数据结果分析可知,经过微带贴片天线传输系统回读数据与信号源发出的数据保持一致,而且没有出现丢数、误码的现象,实现了微带天线数据传输的基本功能。

图8　测试的回读数据

5总结

结合弹丸姿态测试对天线的具体要求,提出系统总体设计方案,对姿态信息的采集存储进行了介绍,在现有姿态测试仪硬件电路基础上,加入可与其直接相连的无线传输芯片,以小的改动实现对成本的控制;采用相对介电常数较大的介质基片,以保证缩小天线物理尺寸又不会影响其天线的综合性能;通过对弹载姿态测试系统硬件电路与微带贴片天线联调,对测试得到的大量数据进行了分析比较,可以看到表明设计的无线传输模块可以准确的发送、接收采集模块存储的数据,得到的结果与实测结果相一致,满足弹丸姿态测试要求。

参考文献:

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[2]纪瑞珠, 潘晓建. 基于S波段的一种微带小天线的仿真计算 [J]. 探测与控制学报, 2009, 31(1): 61-63.

[3]刘振哲, 汪澎. 基于LTCC超材料基板的小型化V波段毫米波微带天线设计 [J]. 火控雷达技术, 2012(3): 72-75.

[4]董玉良, 傅光, 郑会利, 等. 方形微带天线分析及模拟 [J]. 西安电子科技大学学报: 自然科学版, 2002, 29(2): 264-266.

[5]杨军, 邵建兴, 李校林, 等. 一种S波段的多频微带天线的分析与设计 [J]. 通信技术, 2009, 42(6): 46-48.

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[8]Sun J, Wang C F, Li L W, et al. Characterizing helical microstrip antenna mounted on a dielectric-coated circular cylinder usingMoM and closed-form Green’s function [J]. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2004, 3(1): 15-18.

收稿日期:2014-04-18

基金项目:中北大学科学基金资助

作者简介:姚琴琴(1989-),女,山西晋城人,硕士研究生,研究方向:动态测试与智能仪器。

中图分类号:TP331

文献标志码:A

S-band Microstrip Antenna on the Projectile Telemetry System

YAO Qinqin,MA Tiehua,XIE Rui,ZHENG Fengqin

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:With rapid development of information technology, shell landingthe onboard telemetry system special requirements for antenna the method theoretical analysis, software simulation, to design the S-band microstrip patch antenna. Simulation through HFSS13 software. the simulation results were analyzedhe optimization the designed antenna, the antenna scheme is feasible. issile attitude tester and the antenna alignment simulation experiment verify the design can be used in the actual test, this method can complete wireless transmission of data successfully, as well as monitor and control the testing device.

Keywords:attitude test; antenna; telemetering; HFSS13