具有全向波束高增益的引信共形阵列天线

樊朝宇,马 捷,李维山,臧义平

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

微带、偶极子天线结构简单易于实现,在打击地面目标引信中得到广泛的应用[1]。引信天线区别于雷达天线的地方在于,引信链接弹的弹体,弹体等效于在引信天线后方加载了一个金属反射面。金属反射面的存在导致天线波束收窄,很难适应宽落角的需求。

为了满足中大口径榴弹等宽落角的炸点控制要求,对引信天线设计带来了极大的挑战。文献[2]在微带天线的基础上采用不同的缝隙耦合形成了2种倾角的波束,实现了波束可控切换。文献[3]提出了一种侧向辐射的共形定向微带天线,微带天线采用倒方形贴片,在贴片上开方形槽并加入圆形寄生贴片。文献[4]提出了一种弹载微带准八木天线阵,该天线的辐射方向图为后向锥形波束,不能实现全向辐射。文献[5]提出双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线,拓展了天线工作带宽。文献[6]提出了超宽带与弹头共形微带天线,采用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,改善抗匹配特性。文献[7]提出了16元微带天线单元由四级T型一分二功分器进行并联馈电,实现了天线与馈电网络的一体化设计,但阶数较多,体积较大,增益低。文献[8]弹载宽带圆极化四元阵的馈电网络由一个宽带反相器与两个宽带90°移相器级联而成,天线体积增大,且不便于与弹体共形。文献[9]采用串联馈电将天线单元直接用传输线连接,提出两款圆柱共形阵列天线,天线不圆度较差。文献[10]采用印刷偶极子形式,与天线罩共形的金属结构壁进行耦合,降低剖面高度,但增益低。上述天线实现的侧向波束偏转角度较小且增益较低,弹药旋转时会出现引信对地的探测盲区,不能满足宽落角弹药引信的探测范围及距离要求。

根据对地弹药引信宽落角探测地面目标的需求,本文提出了一种产生全向波束高增益的共形阵列天线,可以有效增加引信侧向探测的能力,产生大角度的侧方全向波束,同时不存在探测盲区,对于无线电引信提升探测范围、提高炸点精度方面具有重要的意义。

1 共形阵列天线

共形阵列天线通过装载在非平面的载体表面完成与载体的共形,常见的载体形状有圆柱形、圆锥形以及球面等。研究平面阵列的时候,通常可以只研究天线单元的分布方式以及馈电幅度和相位,就可以得出阵因子的辐射特性,因为通常阵列天线单元的波束具有一定的宽度,所以只通过分析阵因子便可以得到天线阵列的辐射特性。在共形天线阵列的分析中,虽然无法独立提取出一个阵因子进行分析,但是为了便于分析,可以参考平面阵列的分析方法,假设所有天线单元均为全向辐射,也可以推导出环形阵列的辐射特点[11]。环形天线阵列如图1所示。

图1 N元圆环阵示意图Fig.1 Schematic diagram of N-element circular array

N个天线单元均匀分布在半径为r的圆上,整个圆面位于xOy平面,圆心位于直角坐标系的原点,其中天线阵列第n个阵元所在半径与轴之间的夹角为φn=2π(n-1)/N,则圆环阵列中第n个阵元的空间位置矢量表示为Gn=(cosφn,sinφn,0)。可以得到环形天线阵列的方向图函数:

(1)

第n个阵元的加权系数为wn=ane-jβn,若要使天线阵列的波束指向为(θ,φ),则可以通过控制环形阵列中第n个单元加权系数中的βn:

βn=krsinθ0cos(φ0-φn)。

(2)

因为环形阵列全部位于xOy的平面上,所以θ=θ0=π/2,又因所有单元设定具有全向辐射特性,则fn(θ,φ)=1,最后化简式(1)得到式(3)的环形阵列的方向图函数:

(3)

2 全向波束高增益共形阵列天线

本文提出的天线结构如图2所示,由上下两层阵列组成,上层为工作在K波段的5个偶极子天线阵列,下层为工作在Ka波段的4个微带天线阵列,分别共形在圆锥台表面;圆锥台由相对介电常数εr=3.4,厚度h=0.254 mm柔韧可弯曲的介质板构成。

图2 引信共形天线阵结构Fig.2 Fuze conformal antenna array structure

2.1 偶极子天线阵

本文首先设计一款贴片偶极子天线,平面偶极子天线具有优异的性能且易于实现,当偶极子臂长为半波偶极子(l=λ/2)时,是应用最为广泛的偶极子。通过计算优化后,偶极子天线结构如图3(a)所示;将偶极子天线共形在圆锥台表面,结构如图3(b)所示。其天线结构尺寸参数如表1所示。

表1 偶极子天线尺寸参数Tab.1 Dipole antenna size parameters

图3 偶极子天线结构Fig.3 Dipole antenna structure

在20 GHz处偶极子天线共形前后辐射方向图如图4所示,可以看出将偶极子天线共形到圆锥台表面上,其增益明显下降,E面上的最大增益从3.3 dB下降至1.5 dB,且H面辐射方向图严重畸变。

图4 偶极子天线与共形偶极子天线在20 GHz时的辐射方向图Fig.4 Radiation pattern of dipole antenna and conformal dipole antenna at 20 GHz

因此,考虑增加偶极子天线数量,来满足H面全向探测需求。经过仿真验证,采用5个偶极子阵列能实现最好的水平辐射能力。将5个相同的共形偶极子天线绕圆锥表面均匀等间距排列一周,每个单元之间沿圆锥台轴线相邻72°旋转角,构成共形偶极子天线阵列如图5所示。

图5 共形偶极子天线阵列Fig.5 Conformal dipole array antenna

给每个偶极子天线单独馈电,观察天线整体全向性能,得到共形偶极子阵列天线S参数如图6所示,可以看出每个天线单元的输入回波特性S11参数在19.5～20.5 GHz小于-10 dB,相对带宽为5%;且5个端口之间隔离度良好。图7显示了天线在20 GHz的辐射方向图,仿真结果表明所提出的共形偶极子阵列天线具有稳定的侧向辐射性能,H面辐射增益最大值为4.1 dB,与最小值差4 dB,方向图圆度较好。

图6 共形偶极子天线阵S参数Fig.6 S-parameters of conformal dipole array antenna

图7 共形偶极子阵列天线辐射方向图Fig.7 Radiation pattern of conformal dipole array antenna

2.2 微带贴片天线阵

本文以矩形微带贴片天线为研究基础,在已知介质基片的相对介电常数εr=3.4和厚度h=0.254 mm,可按下式计算计算出矩形微带天线相关参量尺寸:

(4)

(5)

通过计算优化后,微带贴片天线结构如图8(a)所示;微带贴片天线共形在如图8(b)所示的圆锥台上。其天线结构尺寸参数如表2所示。

表2 微带贴片天线尺寸参数Tab.2 Microstrip antenna size parameters

图8 微带天线结构图Fig.8 Microstrip antenna structure

在36 GHz处的辐射方向图如图9所示,可以看出微带贴片天线共形在圆锥台表面后辐射方向并没有发生太大变化,但无法实现水平方向上的全向辐射。

图9 微带贴片天线与共形微带贴片天线在36 GHz时的辐射方向图Fig.9 Radiation pattern of microstrip patch antenna and conformal microstrip patch antenna at 36 GHz

因此,为实现水平方向上全向均匀辐射,经仿真验证对比,以上述共形微带贴片为基础单元,将4个微带贴片天线在圆环体表面均匀等间距分布,组成如图10所示的共形阵列天线,水平方向上的辐射能力最强。

图10 共形微带贴片阵列天线Fig.10 Conformal microstrip patch array antenna

给每个矩形贴片天线单独馈电,观察天线整体全向性能,得到共形微带阵列天线S参数如图11所示,可以看出各天线单元中心频率在36 GHz处良好匹配,回波损耗S11为-37 dB,天线的绝对带宽范围为34.5～37.2 GHz,相对带宽为7.5%;且4个端口之间隔离度良好均小于-40 dB。图12显示了共形微带贴片天线阵在36 GHz处的辐射方向图,从H面方向图可以看出全向辐射增益最大值为5.2 dB,与最小值差值为5 dB,增益波动较小,能量分布均匀。

图11 共形微带贴片天线阵S参数Fig.11 S-parameters of conformal microstrip patch antenna array

图12 共形微带贴片天线阵辐射方向图Fig.12 Radiation pattern of conformal microstrip patch antenna array

3 仿真测试验证

在基于全波电磁仿真软件HFSS对天线仿真优化的基础上,加工出天线实物如图13所示。

图13 天线实物图Fig.13 Antenna physical image

天线输入回波损耗S11测试结构如图14所示,共形偶极子天线阵在20 GHz处谐振,S11在19.8～20.3 GHz小于-10 dB;共形微带贴片天线阵在36 GHz处谐振,S11在35.6～36.5 GHz小于-10 dB,基本与仿真结果一致。图15为天线在20 GHz与36 GHz处的实测方向图,可以看出实测天线方向图与仿真结果较为吻合,在H面实现了全向辐射。

图14 天线S参数Fig.14 Antenna S parameters

图15 天线实测方向图Fig.15 Antenna measured directional pattern

4 结论

本文提出一种具有全向波束的引信共形阵列天线,并用偶极子、微带阵列天线分别共形于圆锥台表面上加以实现。完成侧向、全向辐射特性的同时,兼具前向探测能力,适用于宽落角弹药。该天线可以与引信风帽共形,并可以随风帽的形状而改变,不占用引信前端拥挤的空间。实测结果表明,该天线在H面具有全向辐射特性且增益较高,与仿真结果一致。