全金属定向宽波束L波段干扰机天线阵列设计

陈沛林,蔚保国,郑晓冬,付 野,郝青茹

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081;2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,河北石家庄 050081)

现代战争中,卫星导航系统发挥着极大的作用,为武器平台和系统提供定位导航授时服务。然而,卫星导航系统的信号又是非常微弱的,如GPS信号的最大接收功率不会超过-150 dBW,其各频点接收功率一般在-162～-150 dBW[1],很容易受到干扰。因此,卫星导航系统的干扰和抗干扰系统成为全球各国争相研究的目标[2-5]。从俄乌冲突的现状来看,各类无人平台的作战能力突显,卫星导航抗干扰终端成为标准配置。要对这类无人平台的卫星导航系统形成有效反制,针对卫星导航的干扰机及天线自然成了研究重点[6-8]。

对于干扰天线特别是导航干扰天线的研究,主要关注天线频段、增益、覆盖范围以及功率耐受度的提高。WU等[9]通过加载馈电圆盘,设计了一种带有寄生条带的高增益宽带圆极化天线,这种天线体积小、质量轻,但受到功率容量限制,仅适用于小功率欺骗干扰。谢飞等[10]提出了一种宽带八木天线,针对导航对抗,该天线采用双频双馈方式,实现了高增益、质量轻和小型化,但其结构较为复杂,覆盖带宽相对较窄。张盛华等[11]为了满足天线指标、保证加工精度、提升功率容量,研究并提出了波导缝隙阵列天线的结构和工艺改进措施,然而加工制备难度较大、成本较高。另外,干扰天线设计还需要考虑工作模式与干扰信号极化方式的匹配[12],并应用天线阵列提升辐射功率[13-14]。

单极子天线是一种经典的天线类型,具有很宽的频带,如果用于干扰机,具有覆盖多个导航频段的优势,有许多学者研究宽频带的顶端加载单极子天线。NAKANO等[15]使用一个曲线单锥体和短路寄生环,达到了147%带宽。SHEN等[16]通过单锥形天线和锥形底板相互配合,在7～12 GHz实现全向辐射。在后续工作中,NGUYEN-TRONG等[17]改进了结构和地板形状的连续设计,扩展了全向辐射天线的带宽。这些天线都具有较宽的频带和很好的全向辐射特性。

综上所述,目前关于导航频段干扰天线的设计研究大多难以兼顾功率容量、带宽、结构、质量和辐射方向。本文针对此问题,分析归纳地面导航干扰机天线的设计思路和需求,提出加载背板以及顶端折叠的全金属单极子天线阵列结构,并通过高频电磁场有限元仿真实验分析天线各结构调谐参数对S参数的影响来优化天线设计,从而实现干扰机天线的小型化、宽频段、高增益、宽角度覆盖以及高功率耐受度。

1 半全向干扰机天线设计

1.1 设计思路

干扰机天线作为干扰机非常重要的组成部分,其性能直接影响到干扰的范围和效果。为对抗抗干扰天线,干扰机天线应满足特殊要求[18-20]:1)要有明确的辐射范围。比如从地面干扰无人机时,为了达到较大的覆盖范围,就需要天线向天线法向正仰角辐射,同时波束尽可能展宽。2)带宽范围要足够宽。为了能够应对多个频段组合干扰的播发,针对卫星导航,需覆盖1.1～1.7 GHz多个频点。3)要极化匹配。天线设计要采用与干扰机辐射工作模式匹配的极化方式。卫星导航系统一般采用右旋圆极化的天对地辐射天线。对于机载干扰机,要实现高效率的干扰,干扰天线应当采用右旋圆极化。而对于地面或者车载干扰机,宜采用垂直极化,同样可以达到良好的干扰效果。这样设计的好处除了有利于干扰信号远距离传播外,还能够适应机载导航天线低仰角的轴比恶化,以及机体遮挡、反射产生的复杂电磁环境。4)要耐高温。为了达到较好的干扰效能,一般干扰机的功率比较大,必须考虑材料的耐受度,这是可靠性的必然要求,因此很多干扰机天线使用纯金属结构加工。5)要阵列化。随着干扰源功率不断提高,单天线难以满足对平均发射功率的更高要求;同时为了实现一定程度的波束指向,应用阵列天线提升功率是很有必要的。总之,人们总是希望在有限功率的前提下,达到最优的干扰效果或者功率密度分布,这就要求天线的方向图与应用场景高度匹配。

根据上述分析,地面干扰机天线应该具有高增益和宽角度覆盖的方向图特征。针对这样的技术要求,需要设计一种具有单向和扁平的方向图天线,且具有高功率耐受度。

高功率耐受度一般采用全金属结构,而单极子天线则具有全向的方向图。设计金属背板加载的单极子天线可以使天线满足半空间全向的功率覆盖。但这种加载背板会对天线的驻波产生极大的影响,并且反射波和辐射波叠加会产生方向图畸变。因此,本文对单极子天线的顶端加载进行折叠,不但增加了带宽,还使得反射波和辐射波叠加方向图得到了优化。另外,普通单极子天线在俯仰角上半波功率角度较大,因此对俯仰角上的天线排布采取了阵列的设计方法,排成了1×4的阵列,减小波束宽度的同时,提升了天线增益。

1.2 天线结构及其工作原理

干扰机天线的设计主要考虑高功率耐受度和定向波束宽角度覆盖,这样可以对敌方的导航系统产生最佳的干扰效果。微带天线是一种典型的单向辐射天线,但微带天线有其天然的缺点:首先,天线的带宽较窄,很难覆盖多个系统的导航频段;其次,微带天线有介质加载,耐高温能力有限。而全金属的单极子结构天线不包含介质结构,同时频带较宽,因此本文选择其作为干扰机天线单元基本模型。天线阵列由1×4天线单元构成,图1是全金属干扰机天线单元模型示意图,天线单元的尺寸如图中标注所示。

图1 全金属干扰机天线单元模型示意图Fig.1 Unit diagram of all-metal jammer antenna model

图1 a)是天线的侧视图,从图中可以看出天线是顶端加载的单极子结构。天线由下端的馈电点向上部进行馈电,馈电方式采用同轴结构,同轴线的外导体与地板相连接,而内导体则与顶端加载部分相连接。顶端加载部分单独设计,主要设计目标是保持工作带宽的同时,还要能够实现加载背板后的单向辐射。从侧边看天线是矩形结构,相较于常规单极子天线,该结构可以降低单极子天线的剖面高度,并增加天线带宽。

图1 b)是天线的顶视图,从图中可以看到,天线是折线形结构。该折线结构相对于平板结构天线的设计,可以降低反射背板对天线阻抗和场的影响。众所周知,单极子天线的辐射方向是全向的,而干扰机主要是对定向目标的辐射,同时尽可能减少对己方的辐射影响,因此需考虑将单极子天线振源向单向化改进。单极子天线增加侧面背板可以实现场的单向化集中(如图1 c)所示),但对原有的场影响很大,因为反射板的镜像场跟原有的场会形成叠加,而叠加后的场有可能对原有的场产生不利影响,同时影响阻抗匹配。采用折线形平板结构可以增加谐振频点,进而拓展天线的带宽,同时优化天线尺寸和间距,使得天线的增益得到增加。

图2是四阵元线形排布的天线阵列示意图。该阵列主要是扩大俯仰角方向的尺寸,进而压扁俯仰角方向图,使天线的增益和功率耐受度同时得到提高。这样,天线在方位角方向具有宽大的覆盖范围,而且由于俯仰角方向波束较窄,天线阵列可以保持较高的增益。

图2 四阵元线形排布的天线阵列示意图Fig.2 Linear array of four elements diagram

2 天线仿真优化分析

采用Ansys HFSS仿真软件,对本文设计的天线阵列进行结构建模,并进行有限元仿真分析。通过观察不同参数下天线输入端的反射系数S11曲线以及天线方向图,对天线性能指标进行优化调整分析。

2.1 S11与馈线高度的关系

讨论模型中单极子天线馈线高度h对S11的影响。其他参数保持不变,设h的初始高度为3.0 mm。当h分别取值2.5,3.0,3.5 mm时,进行参数扫描分析,计算结果如图3所示。可以看到,谐振频率为0.87 GHz,当h越大时,S11越低,当h=3.5 mm时,S11可达-40 dB以下;而当h减小到2.5 mm时,S11在1.44 GHz出现了谐振点,此时S11=-24 dB。

图3 反射系数S11与馈线高度h的关系Fig.3 Relationship between h and S11

2.2 S11与单极子天线高度的关系

讨论模型中单极子天线高度L对S11的影响。其他参数保持不变,L的初始高度设为55.0 mm。当L分别为54.5,55.0,55.5 mm时,进行参数扫描分析,计算结果见图4。从图中可看到,当L变化时,S11不会线性变化,以55.0 mm为起始点,当L减小时,会使S11略微降低,但不明显;当L增加时,S11会明显降低。由图4可得,L=55.5 mm时,谐振频率为0.87 GHz,且S11最低,接近-35 dB。

图4 反射系数S11与天线高度L的关系Fig.4 Relationship between L and S11

2.3 S11与单极子天线折臂宽度的关系

讨论模型中单极子天线折臂宽度W1对S11的影响。其他参数保持不变,W1的初始高度设为13.0 mm。当W1分别为12.5,13.0,13.5 mm时,进行参数扫描分析,计算结果如图5所示。从图中可以看到,当W1增大时,曲线基本没有变化,当W1减小时,S11降低,当W1=12.5 mm时,S11达到最低,低于-30 dB。

图5 反射系数S11与天线折臂宽度W1的关系Fig.5 Relationship between W1 and S11

2.4 S11与单极子天线宽度的关系

讨论模型中单极子天线宽度W2对S11的影响。其他参数保持不变,W2的初始宽度设为30.0 mm。当W2分别为29.5,30.0,30.5 mm时,进行参数扫描分析,计算结果如图6所示。从图中可以看到,当W2越大时,S11越低;当W2减小时,谐振频率有向低频移动的趋势。

图6 反射系数S11与天线宽度W2之间的关系Fig.6 Relationship between W2 and S11

综上,通过对h,L,W1,W2分别进行参数扫描分析可知,当h减小到2.5 mm,反射系数S11的曲线在1.4 GHz附近出现一个新的谐振频率,这个谐振点拓宽了天线在导航频段的频谱响应,可以提升天线在该频段的增益,从而提升干扰机的工作效率;而对于L,W1,W23个参数而言,天线工作带宽均存在最优值,最终可以作为模型的参数。因此,可得到优化后的天线尺寸为h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。

2.5 优化参数下的天线仿真分析

优化参数下的天线S11仿真结果如图7所示。从图中可以看到,天线阻抗带宽覆盖范围为0.79～2.04 GHz,这个带宽覆盖了L波段中各导航频点,大大超过了普通微带天线的带宽。

图7 天线阵列S11曲线图Fig.7 Antenna array S11 diagram

图8为天线阵列的三维方向图。天线阵列整体增益达到9.4 dB,具有前向、扁平的辐射方向。图9是天线阵列二维方向图,与图8比较后可以看出,天线阵列在H面有158°的波束宽度,而在E面则有26°的波束宽度。从方向图可以看出,该天线阵列方位波束宽度远大于俯仰波束宽度,适合宽方位角度的干扰波束覆盖。

图8 天线阵列三维方向图Fig.8 Antenna array 3D directional diagram

图9 天线阵列二维方向图Fig.9 Antenna array 2D directional diagram

相较于文献[10]等所提的传统八木天线,本文提出的天线带宽覆盖范围大大增加,在L波段达到1.25 GHz的带宽覆盖范围。同时,相较于传统的微带阵列天线实现方式,本文提出的全金属单极子阵列天线结构简单,成本更为低廉,功率容量更大。

3 结 语

为实现地面分布式导航干扰天线的高功率耐受度、宽频段、宽角度覆盖,本文设计了一种基于单极子天线的天线阵列。主要研究结论如下。

1)采用顶端加载金属片结构,并对其进行折叠,然后加载金属背板进行单向辐射增强,形成1×4线形排列的单极子垂直极化天线阵列,可以实现宽频段、宽方位角度的定向集中辐射,对运动载体形成有效波束覆盖。

2)优化后的天线尺寸为h=2.0 mm,L=55.0 mm,W1=13.0 mm,W2=30.6 mm。在该尺寸下,天线阵列带宽为0.79～2.04 GHz,最大增益达到9.4 dB,H面波束宽度为158°,E面波束宽度为26°。

3)相较于传统微带阵列天线,设计的全金属定向宽波束L波段干扰机天线阵列不仅具备较大的功率容量,同时也具备较为简单的小型化结构形式。

本文提出的全金属结构、小型化的天线阵列设计,适用于针对低慢小无人机卫星导航终端的地面干扰设备,可为相关天线设计提供参考。但由于天线工作频段仅局限于导航干扰频段,未兼顾空中目标的其他业务频段,未来可进一步通过调谐单元及阵列结构尺寸,组合、扩展工作频段及带宽,实现低慢小无人机的测控、图传和导航频段的一体化干扰天线设计。