与弹头共型的超宽带微带引信天线

韩东波，洪 飞

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

2002年美国联邦通信委员会 (Federal Communication Committee，FCC)开放了超宽带标准, 超宽带(UWB，Ultra Wideband)定义为相对带宽大于20%或绝对带宽大于500 MHz的系统[1]。从此超宽带技术引起了人们越来越多的关注。用于纳秒级脉冲辐射和接收的超宽带天线是超宽带系统的一项关键技术。所以对超宽带天线的研究一直是一个热点。在超宽带(UWB)系统的设计中，UWB天线是重要的元件。近年来，UWB天线的设计成为天线工程领域的研究热点，各种形式的超宽带天线相继被提出。超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。

微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、低成本和易共形等优点，已得到广泛应用，特别适合在移动通信、航空航天、电子对抗及雷达等领域得到了广泛的应用。但微带天线也因其增益低、频带窄(通常带宽只有0.7%～7%)等缺陷限制了它的应用范围[2]。因此，微带天线的宽频带技术的研究已经成为一个迫切的研究课题。20世纪70年代来，基于微带天线的宽频带技术主要有：增加介质基片厚度；采用εr较小的基板；辐射面开槽加缝；修改等效电路，如附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电等；附加阻抗匹配网络；改变辐射板形状等，也可使天线相对带宽达到15%～20%[3]。2008年，徐海洋等人提出了一种平面开槽超宽带天线[4]；2012年，刘汉等人设计了基于U形槽和寄生条带的双陷波超宽带天线[5]。

由此可见，微带天线的带宽展宽技术已经取得了很大进展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微带天线会造成表面波效应明显增加，且天线的体积及重量也会随之增大；采用阻抗匹配网络或是通过修改等效电路的方法则会带来理论上分析的复杂性和天线制作困难等问题；此外，通过改变辐射板形状的方法会对天线制造公差提出更高的要求。以上方法有的是实验形成的，有的是定性分析的。在实际应用中，由于其分析方法还不成熟和设计难度，特殊结构天线的设计效果还有些偶然的因素，往往是综合应用几种方法来达到目的。本文针对上述问题，提出了与弹头共型的超宽带微带引信天线。

1 微带贴片天线

本文以矩形微带贴片天线为研究基础，矩形微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的矩形辐射贴片所构成，其形状如图1所示，顶层为矩形贴片的带状导体，尺寸为W×L；中间层为薄介质基片，主要参数主要有：厚度h，介电常数εr，介质损耗角正切值tanδ等；底层为金属地板。

图1 矩形微带贴片天线Fig.1 Rectangular microstrip path antenna

微带天线的性能在很大程度上和介质基片有关，因此设计中首先选取合适的介质板材，介质板材根据介质材料、使用的频段、机械强度、损耗、使用温度范围、加工的工艺性等综合考虑选择。

矩形贴片天线的辐射特性可以由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽度、效率、损耗和品质Q因数等来表征。目前，对最基本的矩形贴片天线的辐射特性的分析方法有好几种，从复杂的数学表达式到简单的模型，各不相同，现以证明这些方法对工程应用已经足够了。这些方法包括：矢量位法、格林函数法、辐射孔径法、腔体模型、传输线模型等。前人从分析与实践中也得出了便于工程设计计算的经验公式[3]。

在矩形微带天线的设计中，一般可以给根据天线所工作的中心频率，由以下两式求出辐射片的尺寸：

其中，W和L分别为辐射单元的宽度和长度，ΔL为线伸长量；εe为介质等效介电常数；fr为频率；c为光速。

天线带宽BW通常用电压驻波比表示，电压驻波比小于等于某一规定值S的频带宽度。带宽与微带贴片的品质因数关系为：

其中，Qt为天线的总品质因数，Qr表示与辐射电阻有关的品质因数。对于微带贴片天线：

以C波段7.0 GHz中心频率的矩形贴片天线为例，厚度h=2.0 mm；εr=4.0，计算驻波比S小于2时的带宽(综合以上公式)BW=0.05，即相对带宽只有8%。

2 与弹头共型的超宽带微带引信天线

本文提出的与弹头共型的超宽带微带引信天线结构如图2所示。采用双面覆铜的介质板基片，金属层通过刻蚀形成导电边界，底部方形顶上尖形，整个天线放置在风帽内，立于探测器上方，探测器的输出接口馈入到天线底下的馈线上。辐射面为一个正方形贴片，边长l，中间开有正方形和圆形包围的缝隙空腔，正方形边长w，圆形半径r；馈电方式采用微带边馈形式，微带线的馈点在正方形的角上；接地面在辐射面下面悬空。

图2 与弹头共型的超宽带微带引信天线Fig.2 The UWB microstrip fuze antenna with the warhead tpye

本文引言中介绍的几种微带天线增加带宽的方法，对于基本的矩形贴片天线，将带宽可以提高到10%～15%[4-5]，也有相应的分析方法。对于特殊结构的天线，没有相应的分析方法，往往是综合运用几种 方法来进行分析和设计。

综合分析其对带宽的战况情况：

1)馈电点在顶角，辐射贴片的“有效长度”为上下顶角的长度1.414×l(正方形对角线长度)，辐射贴片的“宽度”为渐变长度，即宽度从馈电微带线宽度width增加到正方形对角线长度1.414×l，再线性变窄为零宽度。根据矩形微带贴片的宽度对带宽的影响分析，可使相对带宽增加约4%。

式中，bw表示矩形微带天线的带宽。

2)辐射面底下的接地面悬空，认为地面在远处，相当于极大地增加了介质板的厚度，并且填充介质为空气，以矩形贴片分析，十分有效的有效展宽频带的方法，即增加介质板厚度，降低介质相对介电常数，让辐射单元与传输线激励不直接相连的多层结构实现工作频率带较大的展宽，这种低介电常数，厚介质基板的多层微带天线结构被称为SSFIP(Strip-Slot-Foam-Invered Patch)天线[6]。将接地层与介质隔开一定距离，中间相当于填充了相对介电常数很低的空气层。空气层厚度H≫介质厚度h，在辐射单元与底层之间相当有较大的空腔，故可以通过腔模理论计算出介质层的等效介电常数公式如下：

其中，H为空气层厚度，h为介质层厚度，εr为介质介电常数。

当电压驻波比VSWR≤2.0时，微带天线带宽的经验公式可以表示为：

BW=5.04f02×h

其中，f0为中心频率，h为介质基板厚度。

为了获得宽频特性，采用介电常数相对较小的介质作为基板。此处我们所采用的介质为Rogers Ultralam 1250(相对介电常数εr=2.5，损耗角正切tanδ=0.000 9)。从理论上来说，接地板可以无限远，然而在实际工程设计中，考虑到接地板实际距离以及“有效(起作用)”的辐射面与接地面的距离，空气层厚度H≫介质厚度h，同时H>0.25λg(等效波长)，取H=0.3×λ=12.6 mm，根据经验公式：BW=5.04×7×7×12.6=3.1 GHz。

3)辐射面中间开有正方形和圆形包围的缝隙空腔，正方形边长w，圆形半径r，根据Vivek的实验理论，在微带天线辐射面上沿面电流方向开缝隙窗口，可等效引入了阻抗匹配元件，改变微带天线的辐射条件和阻抗特性，得到较大的耦合量，使得电抗性能在一定的谐振频率范围内稳定，变化微弱，该方法可使微带天线一般可以获得10%(VSWR<2)左右的相对带宽[7]。

为了与普通的矩形贴片微带天线对比，拟设计工作于C波段(4.0～8.0 GHz)的频率范围内，其设计指标为：工作中心频率7 GHz；驻波比VSWR≤2.0。

结合以上各种因素，最终设计的天线尺寸为：

板材：Rogers Ultralam 1250，εr=2.5；尺寸：24 mm×30 mm；厚度1 mm；L=15 mm；w=8 mm；r=3.5 mm；h=12 mm。

3 仿真与测试

本文利用Ansoft公司的HFSS软件对上述天线进行实物建模、仿真，模型图如图3所示。通过仿真、优化及网络分析因的测试得到天线的电压驻波比(VSWR)图及天线的辐射方向图。

图3 仿真模型Fig.3 Simulation model

图4表示的是阻抗曲线，可以看出从3.5～8.5 GHz，阻抗在50 Ω上下浮动，电抗在0上下浮动，基本都是平滑的曲线，阻抗的实部R在30～60 Ω范围内，虚部-10～+20范围内。

图4 阻抗曲线图Fig.4 Impedance curve

图5中，细实线表示仿真的驻波比曲线，点划线表示实测的驻波比曲线，可以看出，仿真的驻波比VSWR<2.0时，天线的工作频率为3.56～8.63 GHz，相对带宽为68%；实测的驻波比VSWR<2.0的工作频率为3.4～8.75 GHz，其相对带宽达到了71%，相对矩形微带贴片天线极大的展宽了阻抗带宽。从仿真的驻波比曲线可以看出，有两个谐振点频率4.3 GHz和8.0 GHz，可以解释接地面“悬空”与“非悬空”两个辐射窗处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容耦合产生双回路现象造成[8]。

图5 天线驻波比图Fig.5 VSWR curve

图6为仿真及实测的增益-频率曲线，细实线表示仿真曲线，增益取φ=0°，θ=50°为最大增益，可以看出从4～8.5 GHz，增益最大值5.0 dB，最小值2.5 dB，增益起伏为2.5 dB，可以满足引信使用要求；黑色实点表示实测的增益值，由于增益的测试需要在微波暗室进行，限于场地和费用，测试了频带内一些点，增益，频率分别为(3.8，4.0)，(4.5,4.5)，(3.5,5.0)，(2.8,6.0)，(3.5,7.0)，(4,7.5)，(3.5,8.0)，可以看出与仿真曲线基本吻合。按照增益的带宽范围达到4.0～8.3 GHz的频带范围。

图6 增益-频率仿真及实测曲线Fig.6 Gain simulation and measured value

图7表示天线的3D方向图。图8表示了天线在不同频率的E面方向图。在天线工作频段内，当频率分别为3.6 GHz和8.5 GHz时，天线辐射方向图为空心锥形状，只是不同频率的增益略有变化，主瓣方向为与轴向夹角50°，呈圆周分布，波瓣角宽度为40°，表明天线在整个工作频段内具有良好的辐射特性，可以应用到落角为20°～80°的炮弹、火箭弹上。

4 结论

本文提出了超宽带与弹头共型微带天线。该天线以微带贴片天线为设计基础，在对辐射面宽度渐变处理，开窗，以及接地面悬空等特殊结构设计。仿真与测试表明，该天线在极大的增加了带宽，在3.6～8.5 GHz的频率范围驻波比小于2.0，其相对带宽达到了70%，天线在保证宽带工作的前提下，天线在整个工作频段内的辐射特性良好，可以应用到大小落角的炮弹、火箭弹上。此外，所设计的天线结构简单，方便制作，在一定程度上减轻了天线的重量，从而节约了天线成本，在天线工程中具有良好的应用前景。