一种弹载四臂螺旋天线设计

丛伟杰, 董 浩, 商 锋

(1.西安邮电大学 理学院， 陕西 西安 710121； 2.西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

弹载制导天线(弹载天线)是弹载通信设备中接收或发射导航卫星无线信号的重要部件，弹载天线的性能优劣直接影响整个弹载导航设备的性能，进而决定了导弹的精确制导能力。

弹载天线设计存在诸多难点，由于弹体结构均以金属为主，天线的外型、尺寸大小以及不同安装位置都会对天线的性能产生影响[1]。由于导弹的推力来源于尾部的推进装置，在飞行阶段弹体温度很高，会破坏天线的结构，影响天线性能，弹体尾部不允许安装电子设备，所以常见的弹载天线只能安装在弹头或者靠近弹体前端的侧部[2-3]。

弹载天线通常使用微带天线，以共形方式实现[4-5]。例如文献[6]采用双层介质板开槽共形的方式设计了一种圆极化微带天线，其带宽达到31 MHz，最大增益为2.1 dB，具备周向辐射的天线方向图；文献[7]采用多个微带天线单元，同时实现了前向和侧向辐射；文献[8]使用单个轴向放置微带天线的方式，实现了前向辐射。这些研究更多地是照顾弹载天线的前向、周向和侧向辐射，而对天线的后向辐射性能关注不足。

导弹需要与卫星实时通信，以实现精确制导，特别是在导弹弹体飞行的下落过程中尾部向上，且高速旋转[9]，此时需要弹载天线具有一定的后向辐射特性。弹载天线的带宽较窄、不能照顾到后向辐射，或者后向辐射增益方向图圆度差，会导致接收机所收到信号的信噪比较大，解调困难，严重时会影响通信[2,10-11]。文献[3]使用圆形微带天线实现了后向辐射，同时改善了导弹在飞行过程中天线辐射方向图圆度，但微带天线为谐振式天线带宽较窄，一般为1%～5%，限制了该方案的应用范围。

为了获得弹体正后方较高的辐射增益和宽带，本文拟设计并实现一种弹载天线。利用四臂螺旋天线带宽和方向图波束较宽的特点，以及可印制旋臂的特性[12]，将其缠绕在与弹体流线型共形的圆锥形平台介质上制作天线。天线安装在导弹弹头前部，采用后向放置方式安装天线辐射器。使用外部包裹的介质将弹体截断成两部分，以减少弹体金属部分对天线性能的影响，增加后向辐射增益。

1 四臂螺旋天线原理

四臂螺旋天线的结构[12]如图1所示。四臂螺旋天线由4条金属臂环绕而成，利用其底部的馈电网络对4个旋臂每条臂的一端分别馈电，馈电电流大小相等，相位分别为0°、90°、180°、270°，依次相差90°，以实现天线的圆极化性能。当天线臂长为1/4波长的奇数倍时，非馈电端开路；当天线臂长为1/4波长的偶数倍时，非馈电端短路。

图1 四臂螺旋天线的结构

四臂螺旋天线的螺柱总长[13]可表示为

(1)

其中：Le为旋臂的长度；r为螺旋的半径；N为旋臂的匝数;p为天线非馈电端开/短路参数，当天线非馈电端开路时，p=1，非馈电端短路时，p=2。常用的馈电网络一般为威尔金森功分器的延伸，其通过延长1/4波长的微带线的方式产生相位差，这种设计的效率较低、尺寸较大[14-15]。随着微电子的发展，出现了四相位射频耦合器，这种芯片缩减了馈电网络的布线空间，性能较好、相位精度较高[16]。

2 天线设计

为了获得天线的性能参数，使用Ansoft HFSS软件对天线进行仿真，并在仿真结果的基础上设计天线实物。

2.1 仿真设计

本文采用带有圆锥形平台螺柱的四臂螺旋天线，其结构的仿真结果如图2所示。天线旋臂采用金属薄片，内部填充介电常数为4.7的圆锥形平台介质，外部嵌套相同介电常数且与弹体流线型共形的介质层。天线的旋臂为1/4波长的整数倍。

图2 天线结构的仿真

经过仿真、调试后的四臂螺旋天线仿真尺寸为：螺旋上部直径R1为62 mm，下部直径R2为45 mm，旋臂宽度A为3 mm，天线总高H为55 mm，螺旋匝数为0.35 匝。

2.2 实物结构设计

导弹的金属弹头由圆锥和圆柱体组成。位于弹头部位的天线采用朝后放置天线辐射器的方式以增加弹体后部增益。馈电线从螺柱的内部穿出，通过同轴线与后部的接收机等设备连接。在天线安装段，采用介质过渡的方式连接分隔开的两段金属弹体，以减少弹体金属对天线辐射方向图的影响。天线的安装位置如图3所示。

图3 天线的安装位置

印制天线的平面示意，如图4所示。4个螺旋臂采用印制微带线的方式形成，并卷贴在图5所示圆锥形平台介质上。圆锥形平台介质和外部嵌套介质材料采用介电常数为4.7的工程塑料，三段结构使用螺纹连接。

图4 印制天线示意

图5 圆锥形平台介质结构

天线馈电网络结构示意如图6所示。天线的馈电网络采用集成的四相位射频耦合器芯片，从芯片的4个引脚引出4条等长的微带线，保证4路信号的等幅度输出。馈电网络采用厚度为1 mm，介电常数为2.65的F4BM板材。

图6 天线馈电网络示意

3 实验结果及分析

对设计天线进行仿真和实测，验证天线的性能。

3.1 仿真结果及分析

利用Ansoft HFSS软件仿真，改变印刷旋臂的匝数N，使天线的谐振频率达到所需的工作频段1 268.52 MHz±10.23 MHz。在端口特性阻抗默认为50 Ω条件下，天线的仿真回波损耗随匝数N的变化情况，如图7所示。可见在1 268.52 MHz±10.23 MHz的带宽范围内，当N取0.34时，天线的回波损耗小于-15 dB，端口匹配良好。

图7 回波损耗随匝数N的变化

为了衡量各个馈电端口之间的相互串扰和隔离，引入Scatter参数[17]反映不同端口之间隔离度特性。令S11表示端口1的反射系数，S21表示端口1到端口2的传输系数。所设计天线4个馈电端口之间的隔离度曲线如图8所示。可见4个端口的在1 268.52 MHz处的隔离度均大于-15 dB，不同端口之间的互耦作用较小，端口隔离性能较好。

图8 天线4个馈电端口的隔离度曲线

一般通过天线E面和H面的方向图来体现天线的远场方向图[18]。假设天线放置为坐标轴原点，最大辐射方向为Z轴方向，则与XOY面平行的平面为天线的H面方向；过原点与XOY面垂直的平面为天线的E面。设XOY面上与X轴的夹角为φ，XOZ面上与Z轴的夹角为θ，则天线E面增益方向图如图9所示。可以看出，天线增益方向图在±30°范围内大于0 dB，在0°大于2.5 dB，说明天线在主辐射方向上增益良好。

设计天线的3D辐射方向仿真结果如图10所示。可以看出，在主辐射方向上的方向图具有良好的圆度。能够满足弹体在高速旋转下落过程中与卫星通信的要求。

用轴比来衡量四臂螺旋天线的圆极化性能[10]，设计天线的轴比曲线如图11所示。可见，在±30°的范围内轴比小于3 dB，圆极化性能较好，极化损失较小。

图9 天线的E面增益方向图

图10 天线3D辐射方向仿真结果

图11 天线轴比曲线

3.2 实物测量

根据天线在金属弹体中的实际工作环境，设计了部分弹体结构。弹体和天线实物，图12所示。

图12 天线实物

使用Keysight E5071C ENA矢量网络分析仪测试天线端口的回波损耗，其结果如图13所示。可以看出，在1 268.52 MHz± 10.23 MHz的带宽范围内，天线的回波损耗小于-15 dB，可见实测天线匹配良好，在接近仿真结果的同时带宽达到170 MHz。

图13 回波损耗实测结果

在微波暗室中测量天线实物的归一化E面增益方向图如图14所示。在0°时，增益大于-1 dB，±30°波束宽度内增益大于-5 dB，圆度小于2 dB。

图14 归一化E面方向图

实测天线轴比结果如图15所示，0°轴比为6 dB左右，与仿真结果的3 dB以下相比较差，但已达到实际使用标准。

图15 天线的轴比

实测天线的增益较仿真增益低，天线的正前方轴比也较仿真结果差，这是由于内外部材料的介质损耗过大、介质和天线旋臂加工误差、旋臂焊接的不一致性等因素导致的。但是，天线实物已经达到工程使用标准，在±30°波束宽度内实测天线圆度小于2 dB，满足弹体在下落、旋转过程中对天线增益方向图圆度的要求。

与同样实现后向的辐射文献[3]方案相比，文献[3]方案天线在弹体正后方0°、±10°和±30°的波束增益分别为0 dB、-4 dB和-9 dB；本方案天线在弹体正后方0°、±10°和±30°的波束增益分别为-1 dB，-3dB，-5 dB左右，且相对带宽达到13%，说明本方案的设计性能较好。

4 结 语

为提升弹载天线的带宽、辐射增益及其水平圆度，利用四臂螺旋天线带宽较宽、易于共形和波束宽度较宽的特点设计并实现了一款圆锥平台形四臂螺旋弹载天线。为增强后向增益，使用外部包裹的介质将弹体截断成两部分，并采用天线后向放置方式。经过对实物的测量表明，弹体正后方增益大于-2 dB，在±30°的波束宽度轴比小于6 dB，圆度小于2 dB，馈电端口回波损耗在1 268.52 MHz范围内小于-15 dB。相对于同类型已有研究，设计天线的后向辐射波束宽度较宽、增益较大。