彈載螺旋天線及天線罩電氣性能分析

于國平,路志勇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在彈載天線的設(shè)計中,天線罩的作用不僅僅是保護天線免受自然環(huán)境影響,更是為了保證彈體的空氣動力學性能。由于在彈載條件下對天線的尺寸有嚴格限制,因此在設(shè)計天線罩時,天線罩無法遠離天線輻射體,甚至要緊貼輻射體。這層介質(zhì)罩對天線所產(chǎn)生電磁場的反射和吸收,使天線的電氣性能發(fā)生顯著變化,這種變化在進行天線電氣設(shè)計時要予以充分考慮。

對于某種要求的彈載天線,要求天線具有11 dBi左右的增益和35°左右的波束寬度。由于安裝要求和彈體的空氣動力需要,天線需要做成直徑很小的圓棒狀。由于普通的螺旋天線需要直徑較大的反射盤,因此不能用在彈體上。在這里采用特殊的反射器代替普通螺旋的反射盤,反射器的直徑與螺旋直徑相當,因此天線的直徑遠小于普通螺旋的直徑,非常適合于彈載。

1 彈載天線的設(shè)計

1.1 天線的要求

在航天電子通信中,根據(jù)彈載通信要求需要安裝體積小、重量輕和方向性強的圓極化天線。彈載天線的電性能要求為:工作帶寬7.2%,駐波比＜1.5,軸比＜2,最大方向系數(shù)≥11 dB,天線主瓣的半功率角寬度≥35°。根據(jù)彈載天線的電性能要求、使用環(huán)境和對天線尺寸的限制,天線形式選擇螺旋天線。

1.2 小直徑螺旋天線的參數(shù)設(shè)計

對于普通螺旋天線,需要直徑約為 0.75～2 λ0(λ0為天線中心頻率所對應的波長)的接地面,而彈載的安裝環(huán)境需要體積小的天線,這就需要改變螺旋天線的接地面,天線形式選擇小直徑的螺旋天線。這種螺旋天線的優(yōu)點是不需要普通螺旋天線所必需的接地面,因此可以減少安裝空間。

對于小直徑的螺旋天線,天線的反射器采用特殊的形式,其直徑與螺旋直徑相同,按照螺旋天線的設(shè)計原則,螺旋一圈取一個波長,則直徑約為0.3λ0,因此天線直徑約為0.3λ0,遠小于普通螺旋的直徑。

小直徑螺旋天線的主要特點是采用直徑與螺旋直徑相當?shù)男》瓷淦?即用導體環(huán)取代普通螺旋的反射盤,如圖1所示。

圖1 小直徑螺旋天線

該螺旋天線具有2個導體環(huán)反射器,第1個反射器兼有饋線接地作用。合理控制第2個反射器與第1個反射器間距,可以提高天線增益,降低副瓣和后瓣電平。文獻[1]中給出 2個反射器間距可取λ0/3～λ0/2之間,但從實測的數(shù)據(jù)來看,2個反射器間距取λ0/4左右,可獲得最佳的性能。

根據(jù)理論計算和試驗驗證,這種天線的參數(shù)取值為 :螺旋直徑為0.3 λ0,螺旋升角13°,螺距0.3λ0,采用9圈螺旋。天線可以達到如下的性能指標,如表1所示,表1中Δf=0.1f0。

表1 小直徑螺旋天線性能

2 天線罩電氣性能分析

由于彈體的空氣動力學要求,天線外部必須要加裝天線罩。天線罩采用結(jié)構(gòu)可靠的介質(zhì)材料,如玻璃鋼等。因此在分析加罩天線的電氣性能時,必須要連同天線罩一起建模。天線和天線罩一體化建模的等效模型如圖2所示。

圖2 天線和天線罩一體化建模的等效模型

設(shè)天線的S面上待求的電流分布為,罩的1內(nèi)壁S上待求的電流和磁流分布分別為和2罩的外壁S上待求的電流和磁流分布分別為3和。由等效原理和邊界條件,可以得到含有上述5種未知數(shù)的方程如下:

式中,為天線的激勵場;(,)為S3上的電流和磁流在2區(qū)的電場,下標1表示場在S1上的切向分量,其他下標依此類推。式(1)～式(5)可展開為:

式中,標號s=1,2,3和v=1,2,3分別為表面標號和區(qū)域標號?；瘮?shù)為三角貼片函數(shù),其定義如下。

設(shè)公共邊的函數(shù)為fn(),且在各三角形中電荷密度為一個常數(shù),則

這樣,所有表面上的電磁流均可以近似為:

然后,選擇與基函數(shù)相同的權(quán)函數(shù)(即采用Galerkin法),與式(1)～式(5)做內(nèi)積運算可得到如下矩陣方程:

式中,[V1]為天線激勵場與權(quán)函數(shù)的內(nèi)積結(jié)果。另外,系數(shù)矩陣中子矩陣的下標表示其大小,如Z21為N2×N1的矩陣;N2為表面S2的公共邊數(shù);N1為表面S1的公共邊數(shù),其他依此類推。解矩陣式(15)可直接得到各個表面的電磁流,而其他電氣參量可利用求得的電磁流進一步求解得到。

3 測試結(jié)果分析

根據(jù)以上分析實際制作了這種螺旋天線,考慮結(jié)構(gòu)需要,在制作時首先在選定直徑的介質(zhì)棒上加工出繞制螺旋線的細槽,把銅線繞在細槽里,用高強度的粘合劑把銅線與介質(zhì)棒粘接好,第2個反射器與第1個反射器間距為0.247λ0,天線罩材料采用尼龍,厚度為1 mm,緊包圍在螺旋上。天線加罩和不加罩的實測駐波比結(jié)果如圖3所示,加罩后天線的駐波比向低端偏移。圖3中△f1≈0.04f0,8%帶寬范圍內(nèi),駐波比小于1.5。

圖3 天線駐波比測試結(jié)果

天線加罩和不加罩的方向圖比較如圖4所示。

圖4 天線加罩和不加罩方向圖比較

天線加罩前后電性能指標比較如表2所示。

表2 螺旋天線加罩和不加罩性能比較

從表2中可以看出,小直徑螺旋天線的軸比、最大方向系數(shù)和天線主瓣的半功率角寬度均滿足彈載電性能的要求。

天線加罩后,其性能與加罩前相比天線波束變窄,副瓣電平有所抬高,軸比與增益性能基本沒有變化,后瓣電平有較為明顯的降低。

4 結(jié)束語

設(shè)計的小直徑螺旋天線具有直徑小、電氣性能好等優(yōu)點,適合用作彈載天線。由于天線的反射器直徑小,天線的駐波比帶寬和方向圖帶寬要比普通螺旋天線的帶寬窄。彈載天線的天線罩對天線的電氣性能有一定的影響,在設(shè)計中需要充分考慮天線罩的電氣性能。

[1]KRAUS J D,MARHEFKA R J.天線(上冊)[M].章文勛,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]杜耀惟.天線罩電信設(shè)計方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,1993.

[3]李世智.電磁輻射與散射問題的矩量法[M].北京:電子工業(yè)出版社,1985.