一种宽带低剖面弹载天线的设计与实现

张晓冲，曹江涛，邢光龙，谢 萍，李增科

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

近些年来，随着现代化高科技战争对导弹性能要求的不断提高，以及导弹应用环境的特殊性，对弹载天线提出了很多特殊的要求。为了减小天线形状对导弹风阻的影响，应考虑弹载天线在高速飞行过程中的空气动力学特性，同时还要保证其机械结构稳定性和耐高温性，这就要求天线与弹体实现共形[1-4]。为适应由弹体机动带来的天线指向变化，要求弹载天线的方向图要宽波束覆盖[5-6]。对于弹载天线，低剖面共形有利于对军事装备进行伪装，可有效降低整个平台雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)，增加平台机动性以及提高天线隐蔽性。

弹载低剖面天线在国内外均已经广泛应用，天线形式及尺寸大小是多种多样的，分析方法也不尽相同。天线辐射场常用的分析方法有：有限元方法与有限差分方法[7-9]、模式匹配法[10]、混合方法[11-12]、格林函数和矩量法[13]等。弹载天线常用的形式包括微带天线、缝隙天线、螺旋天线、波导天线和振子天线等。设计时通常要考虑天线在弹体的安装位置、尺寸和质量及与弹体共形等情况，从而选择最优的天线形式。

文献[14]研究并设计了一种微带磁偶极子八木天线，将3个磁偶极子八木天线共形到弹体上，实现了较低的剖面，但其受到弹体影响，最大辐射方向在偏离轴向45°的方向，倾斜的辐射方向导致其在实际应用中具有较大的局限性。2015年，Ghaemi等人对二元叠层单极天线进行了深入研究，通过在大尺寸辐射单元内嵌套一部分小尺寸辐射单元，降低了天线剖面高度,实现了8.5倍频阻抗带宽且剖面高度为20.9 mm(0.046λ)，是一款剖面极低的天线[15]，具有较强的实用价值。文献[16]通过在低剖面E形微带天线中引入15分布式LC谐振电路，拓宽了天线的带宽，使其很好地工作在AMPS频段824～894 MHz，该天线剖面高度仅为0.344λ，但其带宽仅9%，相对于宽带天线，带宽较窄。文献[17]设计了一种装在弹头的印刷振子天线，通过振子向下倾斜来展宽波束，但其剖面较高，底盘尺寸较大，不便于安装。文献[18]通过在单极子顶部引入耦合加载板的方式设计了一种宽带低剖面，可用于小金属地的全向天线，但它整体体积较大，弹体安装位置受限。文献[19]采用微带天线阵，把平面的微带贴片共形贴到弹体表面，实现了任意姿态下的测控，但天线通过阵列排布比较困难，位置选择较为苛刻，不稳定因素较多，可能会造成微带线的断裂，另外带宽比较窄。

在高动态、复杂电磁环境下，弹载低剖面共形天线是实现高速飞行目标和地面控制台信息交互的重要组成单元，其性能直接影响通信链路和无线控制的成败。因此，低剖面宽带天线的研究既有重要的理论意义，又有很高的工程应用价值。本文主要以工程应用为背景，采用了一种特殊馈电形式的印刷偶极子天线，并与天线罩共形的金属结构壁进行耦合，形成了电感效应，既展宽了带宽，又有效地降低了天线的剖面高度,解决了弹载天线剖面高度受限的技术问题。

1 天线整体设计和电气指标

由于微带天线带宽较窄，振子天线剖面高度较高，波导天线尺寸太大，考虑到安装位置、安装尺寸及剖面高度等方面要求，选择了印制偶极子天线，并且通过添加金属耦合壁的方式来实现天线整体的最优性能。

天线整体由共形天线罩和天线体组成。天线整体的仿真模型如图1所示。天线整体的剖面结构图如图2所示。天线体尺寸为55 mm×66 mm×17 mm(约0.22λmax×0.264λmax×0.068λmax)，天线罩采用2.5 mm厚的聚醚醚酮(PEEK)或者增强型的聚苯硫醚(PPS)材料，具有极为优良的强度、刚性、耐高温和尺寸稳定性，同时还具有线膨胀系数小、吸水率低、成型收缩率小、耐腐蚀性好和阻燃性好等特点，可用于注射成型各种结构复杂的零部件。

图1 天线整体仿真模型Fig.1 Overall simulation model of antenna

图2 天线整体剖面结构Fig.2 Overall section structure of antenna

不含天线罩天线体仿真图如图3所示，天线体尺寸长L=66 mm，宽W=55 mm，高H1=17 mm。印制板采用FR-4玻璃钢材料，介电常数εr=4.4，厚度为1 mm，印制板上的一对辐射振子总长度L1=60.7 mm，宽度W1=53 mm。印制板上表面距离底面的高度H=12.5 mm，馈电点距离中心位置Ly=13 mm。

图3 不含天线罩天线体仿真Fig.3 Antenna body simulation without radome

印制板上层及下层有辐射片,2个辐射片形成一对偶极子，上层辐射片一端有延长的传输线，传输线上通过添加枝节来调节阻抗匹配，通过介质支撑块来支撑印制板，从图2和图3可知，印刷偶极子天线与金属耦合壁之间有一段间隙，间隙距离为3.6 mm，可适当调节间隙尺寸来调节匹配。金属耦合壁顶部呈弧形，与天线罩内侧紧紧相接，且与其共形。天线的极化方式为线极化。

为了验证设计方案的正确性，加工了样机，天线体(不含天线罩)俯视图如图4所示，侧视图如图5所示。

图4 天线体俯视Fig.4 Top view of antenna body

图5 天线体侧视Fig.5 Side view of antenna body

2 结果分析

在天线测试原理中，通过电压驻波比(VSWR)来描述天线的阻抗特性。在天线样机加工完成后，使用矢量网络分析仪对加工好的实物进行测试，实测和仿真VSWR曲线对比如图6所示。

由图6可以看出，实测结果和仿真结果较为吻合，频带略微向低频偏移了一些，这是由于实际中天线罩的影响所致。从实测结果可以看出，天线VSWR在2.0以下的频带在1.2～2.05 GHz，相对带宽达到52.3%,天线在工作带宽内具有良好的阻抗匹配特性。

图6 实测和仿真VSWR曲线Fig.6 Simulated and measured VSWR of proposed antenna

由图5可以看出，印制板上表面距离天线底部的距离H仅为12.5 mm，为低频(1.2 GHz)的0.05个波长，即0.05λmax，考虑到耦合墙壁的高度H1=17 mm，天线体的剖面高度为0.068λmax。

VSWR随H1变化曲线如图7所示。

图7 VSWR随H1变化曲线Fig.7 VSWR varying with H1

由图7可以看出，随着耦合墙壁高度H1变大，VSWR曲线逐渐向低频偏移，低频端驻波逐渐得到改善，高频端驻波会变差，随耦合墙壁高度H1变大，天线体(不含天线罩)的剖面高度会变高，因此在实际中可选择合适的H1值，使得在满足工作带宽的同时，尽可能低地降低剖面高度。

对于天线方向图测试常采用的是场地远场法，收发天线之间的测试距离满足远场测试距离条件，即：

式中，R为收发天线之间的距离；λ为工作波长；D为待测天线口径(线天线为天线最大线尺寸)。

在满足远场测试条件的前提下，天线增益测试通常采用波束宽度法、比较法和方向图积分法，本文采用了方向图积分法来得到远场方向图及增益。

在工作频带内，选取了1.2，1.5，1.8，2.05 GHz四个频点，通过仿真计算和实际测试得到了频带内这4个频点的方向图增益曲线图，如图8～图11所示。

图8 1.2 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和实测方向图Fig.8 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.2 GHz(φ=0°and φ=90°)

图9 1.5 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和实测方向图Fig.9 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.5 GHz(φ=0°and φ=90°)

图10 1.8 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和实测方向图Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 1.8 GHz(φ=0°and φ=90°)

图11 2.05 GHz(φ=0°和φ=90°)仿真和实测方向图Fig.11 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna，at 2.05 GHz(φ=0°and φ=90°)

由图8～图11可以看出，天线辐射方向图比较平滑，实测方向图基本与仿真结果吻合，主波束变化趋势与仿真结果基本一致，±60°内的方向图变化趋势大体保持一致，方向图在±60°内的增益均大于0 dB，从而实现了宽波束覆盖。方向图副瓣的测试结果与仿真结果略有差别，原因是在实际测试中弹体影响因素比理想仿真条件下更为复杂，尤其是地面及天线周边的环境对副瓣的影响是很大的，不可避免地会引入一些误差。

3 结束语

本文设计并制作了一种宽带低剖面弹载共形天线。测试结果表明，其性能指标符合设计预期，并与仿真分析结果相互印证。该天线的相对带宽达到52.3%，工作频带范围为1.20～2.05 GHz，天线体高度仅为17 mm(0.068λmax)，在整个带宽内，方向图保持稳定，且在水平面和方位面±60°内增益均大于0 dB。天线性能指标保证了弹体在运动过程中能够稳定接收信号。该天线结构紧凑、剖面低、性能良好，同时还具有高机械可靠性、耐高温、拆卸安装方便和易于批量生产等特点，适用于弹载、机载、舰载及车载等多种平台，天线结构简单，设计灵活，具有良好的工程应用前景。