與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線

韓東波，洪 飛

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (Federal Communication Committee，F(xiàn)CC)開(kāi)放了超寬帶標(biāo)準(zhǔn), 超寬帶(UWB，Ultra Wideband)定義為相對(duì)帶寬大于20%或絕對(duì)帶寬大于500 MHz的系統(tǒng)[1]。從此超寬帶技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。用于納秒級(jí)脈沖輻射和接收的超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。所以對(duì)超寬帶天線的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。在超寬帶(UWB)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，UWB天線是重要的元件。近年來(lái)，UWB天線的設(shè)計(jì)成為天線工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，各種形式的超寬帶天線相繼被提出。超寬帶天線的設(shè)計(jì)也成為了科學(xué)界和工程界的熱門(mén)研究課題。

微帶天線由于具有體積小、重量輕、低剖面、低成本和易共形等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用，特別適合在移動(dòng)通信、航空航天、電子對(duì)抗及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但微帶天線也因其增益低、頻帶窄(通常帶寬只有0.7%～7%)等缺陷限制了它的應(yīng)用范圍[2]。因此，微帶天線的寬頻帶技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個(gè)迫切的研究課題。20世紀(jì)70年代來(lái)，基于微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要有：增加介質(zhì)基片厚度；采用εr較小的基板；輻射面開(kāi)槽加縫；修改等效電路，如附加寄生貼片、采用電磁耦合饋電等；附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；改變輻射板形狀等，也可使天線相對(duì)帶寬達(dá)到15%～20%[3]。2008年，徐海洋等人提出了一種平面開(kāi)槽超寬帶天線[4]；2012年，劉漢等人設(shè)計(jì)了基于U形槽和寄生條帶的雙陷波超寬帶天線[5]。

由此可見(jiàn)，微帶天線的帶寬展寬技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微帶天線會(huì)造成表面波效應(yīng)明顯增加，且天線的體積及重量也會(huì)隨之增大；采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或是通過(guò)修改等效電路的方法則會(huì)帶來(lái)理論上分析的復(fù)雜性和天線制作困難等問(wèn)題；此外，通過(guò)改變輻射板形狀的方法會(huì)對(duì)天線制造公差提出更高的要求。以上方法有的是實(shí)驗(yàn)形成的，有的是定性分析的。在實(shí)際應(yīng)用中，由于其分析方法還不成熟和設(shè)計(jì)難度，特殊結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)效果還有些偶然的因素，往往是綜合應(yīng)用幾種方法來(lái)達(dá)到目的。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線。

1 微帶貼片天線

本文以矩形微帶貼片天線為研究基礎(chǔ)，矩形微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的矩形輻射貼片所構(gòu)成，其形狀如圖1所示，頂層為矩形貼片的帶狀導(dǎo)體，尺寸為W×L；中間層為薄介質(zhì)基片，主要參數(shù)主要有：厚度h，介電常數(shù)εr，介質(zhì)損耗角正切值tanδ等；底層為金屬地板。

圖1 矩形微帶貼片天線Fig.1 Rectangular microstrip path antenna

微帶天線的性能在很大程度上和介質(zhì)基片有關(guān)，因此設(shè)計(jì)中首先選取合適的介質(zhì)板材，介質(zhì)板材根據(jù)介質(zhì)材料、使用的頻段、機(jī)械強(qiáng)度、損耗、使用溫度范圍、加工的工藝性等綜合考慮選擇。

矩形貼片天線的輻射特性可以由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度、效率、損耗和品質(zhì)Q因數(shù)等來(lái)表征。目前，對(duì)最基本的矩形貼片天線的輻射特性的分析方法有好幾種，從復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式到簡(jiǎn)單的模型，各不相同，現(xiàn)以證明這些方法對(duì)工程應(yīng)用已經(jīng)足夠了。這些方法包括：矢量位法、格林函數(shù)法、輻射孔徑法、腔體模型、傳輸線模型等。前人從分析與實(shí)踐中也得出了便于工程設(shè)計(jì)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[3]。

在矩形微帶天線的設(shè)計(jì)中，一般可以給根據(jù)天線所工作的中心頻率，由以下兩式求出輻射片的尺寸：

其中，W和L分別為輻射單元的寬度和長(zhǎng)度，ΔL為線伸長(zhǎng)量；εe為介質(zhì)等效介電常數(shù)；fr為頻率；c為光速。

天線帶寬BW通常用電壓駐波比表示，電壓駐波比小于等于某一規(guī)定值S的頻帶寬度。帶寬與微帶貼片的品質(zhì)因數(shù)關(guān)系為：

其中，Qt為天線的總品質(zhì)因數(shù)，Qr表示與輻射電阻有關(guān)的品質(zhì)因數(shù)。對(duì)于微帶貼片天線：

以C波段7.0 GHz中心頻率的矩形貼片天線為例，厚度h=2.0 mm；εr=4.0，計(jì)算駐波比S小于2時(shí)的帶寬(綜合以上公式)BW=0.05，即相對(duì)帶寬只有8%。

2 與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線

本文提出的與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用雙面覆銅的介質(zhì)板基片，金屬層通過(guò)刻蝕形成導(dǎo)電邊界，底部方形頂上尖形，整個(gè)天線放置在風(fēng)帽內(nèi)，立于探測(cè)器上方，探測(cè)器的輸出接口饋入到天線底下的饋線上。輻射面為一個(gè)正方形貼片，邊長(zhǎng)l，中間開(kāi)有正方形和圓形包圍的縫隙空腔，正方形邊長(zhǎng)w，圓形半徑r；饋電方式采用微帶邊饋形式，微帶線的饋點(diǎn)在正方形的角上；接地面在輻射面下面懸空。

圖2 與彈頭共型的超寬帶微帶引信天線Fig.2 The UWB microstrip fuze antenna with the warhead tpye

本文引言中介紹的幾種微帶天線增加帶寬的方法，對(duì)于基本的矩形貼片天線，將帶寬可以提高到10%～15%[4-5]，也有相應(yīng)的分析方法。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的天線，沒(méi)有相應(yīng)的分析方法，往往是綜合運(yùn)用幾種 方法來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

綜合分析其對(duì)帶寬的戰(zhàn)況情況：

1)饋電點(diǎn)在頂角，輻射貼片的“有效長(zhǎng)度”為上下頂角的長(zhǎng)度1.414×l(正方形對(duì)角線長(zhǎng)度)，輻射貼片的“寬度”為漸變長(zhǎng)度，即寬度從饋電微帶線寬度width增加到正方形對(duì)角線長(zhǎng)度1.414×l，再線性變窄為零寬度。根據(jù)矩形微帶貼片的寬度對(duì)帶寬的影響分析，可使相對(duì)帶寬增加約4%。

式中，bw表示矩形微帶天線的帶寬。

2)輻射面底下的接地面懸空，認(rèn)為地面在遠(yuǎn)處，相當(dāng)于極大地增加了介質(zhì)板的厚度，并且填充介質(zhì)為空氣，以矩形貼片分析，十分有效的有效展寬頻帶的方法，即增加介質(zhì)板厚度，降低介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，讓輻射單元與傳輸線激勵(lì)不直接相連的多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作頻率帶較大的展寬，這種低介電常數(shù)，厚介質(zhì)基板的多層微帶天線結(jié)構(gòu)被稱為SSFIP(Strip-Slot-Foam-Invered Patch)天線[6]。將接地層與介質(zhì)隔開(kāi)一定距離，中間相當(dāng)于填充了相對(duì)介電常數(shù)很低的空氣層?？諝鈱雍穸菻?介質(zhì)厚度h，在輻射單元與底層之間相當(dāng)有較大的空腔，故可以通過(guò)腔模理論計(jì)算出介質(zhì)層的等效介電常數(shù)公式如下：

其中，H為空氣層厚度，h為介質(zhì)層厚度，εr為介質(zhì)介電常數(shù)。

當(dāng)電壓駐波比VSWR≤2.0時(shí)，微帶天線帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：

BW=5.04f02×h

其中，f0為中心頻率，h為介質(zhì)基板厚度。

為了獲得寬頻特性，采用介電常數(shù)相對(duì)較小的介質(zhì)作為基板。此處我們所采用的介質(zhì)為Rogers Ultralam 1250(相對(duì)介電常數(shù)εr=2.5，損耗角正切tanδ=0.000 9)。從理論上來(lái)說(shuō)，接地板可以無(wú)限遠(yuǎn)，然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮到接地板實(shí)際距離以及“有效(起作用)”的輻射面與接地面的距離，空氣層厚度H?介質(zhì)厚度h，同時(shí)H>0.25λg(等效波長(zhǎng))，取H=0.3×λ=12.6 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：BW=5.04×7×7×12.6=3.1 GHz。

3)輻射面中間開(kāi)有正方形和圓形包圍的縫隙空腔，正方形邊長(zhǎng)w，圓形半徑r，根據(jù)Vivek的實(shí)驗(yàn)理論，在微帶天線輻射面上沿面電流方向開(kāi)縫隙窗口，可等效引入了阻抗匹配元件，改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性，得到較大的耦合量，使得電抗性能在一定的諧振頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，變化微弱，該方法可使微帶天線一般可以獲得10%(VSWR<2)左右的相對(duì)帶寬[7]。

為了與普通的矩形貼片微帶天線對(duì)比，擬設(shè)計(jì)工作于C波段(4.0～8.0 GHz)的頻率范圍內(nèi)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：工作中心頻率7 GHz；駐波比VSWR≤2.0。

結(jié)合以上各種因素，最終設(shè)計(jì)的天線尺寸為：

板材：Rogers Ultralam 1250，εr=2.5；尺寸：24 mm×30 mm；厚度1 mm；L=15 mm；w=8 mm；r=3.5 mm；h=12 mm。

3 仿真與測(cè)試

本文利用Ansoft公司的HFSS軟件對(duì)上述天線進(jìn)行實(shí)物建模、仿真，模型圖如圖3所示。通過(guò)仿真、優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)分析因的測(cè)試得到天線的電壓駐波比(VSWR)圖及天線的輻射方向圖。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

圖4表示的是阻抗曲線，可以看出從3.5～8.5 GHz，阻抗在50 Ω上下浮動(dòng)，電抗在0上下浮動(dòng)，基本都是平滑的曲線，阻抗的實(shí)部R在30～60 Ω范圍內(nèi)，虛部-10～+20范圍內(nèi)。

圖4 阻抗曲線圖Fig.4 Impedance curve

圖5中，細(xì)實(shí)線表示仿真的駐波比曲線，點(diǎn)劃線表示實(shí)測(cè)的駐波比曲線，可以看出，仿真的駐波比VSWR<2.0時(shí)，天線的工作頻率為3.56～8.63 GHz，相對(duì)帶寬為68%；實(shí)測(cè)的駐波比VSWR<2.0的工作頻率為3.4～8.75 GHz，其相對(duì)帶寬達(dá)到了71%，相對(duì)矩形微帶貼片天線極大的展寬了阻抗帶寬。從仿真的駐波比曲線可以看出，有兩個(gè)諧振點(diǎn)頻率4.3 GHz和8.0 GHz，可以解釋接地面“懸空”與“非懸空”兩個(gè)輻射窗處基板厚度不同的兩個(gè)諧振器經(jīng)階梯電容耦合產(chǎn)生雙回路現(xiàn)象造成[8]。

圖5 天線駐波比圖Fig.5 VSWR curve

圖6為仿真及實(shí)測(cè)的增益-頻率曲線，細(xì)實(shí)線表示仿真曲線，增益取φ=0°，θ=50°為最大增益，可以看出從4～8.5 GHz，增益最大值5.0 dB，最小值2.5 dB，增益起伏為2.5 dB，可以滿足引信使用要求；黑色實(shí)點(diǎn)表示實(shí)測(cè)的增益值，由于增益的測(cè)試需要在微波暗室進(jìn)行，限于場(chǎng)地和費(fèi)用，測(cè)試了頻帶內(nèi)一些點(diǎn)，增益，頻率分別為(3.8，4.0)，(4.5,4.5)，(3.5,5.0)，(2.8,6.0)，(3.5,7.0)，(4,7.5)，(3.5,8.0)，可以看出與仿真曲線基本吻合。按照增益的帶寬范圍達(dá)到4.0～8.3 GHz的頻帶范圍。

圖6 增益-頻率仿真及實(shí)測(cè)曲線Fig.6 Gain simulation and measured value

圖7表示天線的3D方向圖。圖8表示了天線在不同頻率的E面方向圖。在天線工作頻段內(nèi)，當(dāng)頻率分別為3.6 GHz和8.5 GHz時(shí)，天線輻射方向圖為空心錐形狀，只是不同頻率的增益略有變化，主瓣方向?yàn)榕c軸向夾角50°，呈圓周分布，波瓣角寬度為40°，表明天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的輻射特性，可以應(yīng)用到落角為20°～80°的炮彈、火箭彈上。

4 結(jié)論

本文提出了超寬帶與彈頭共型微帶天線。該天線以微帶貼片天線為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在對(duì)輻射面寬度漸變處理，開(kāi)窗，以及接地面懸空等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真與測(cè)試表明，該天線在極大的增加了帶寬，在3.6～8.5 GHz的頻率范圍駐波比小于2.0，其相對(duì)帶寬達(dá)到了70%，天線在保證寬帶工作的前提下，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的輻射特性良好，可以應(yīng)用到大小落角的炮彈、火箭彈上。此外，所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制作，在一定程度上減輕了天線的重量，從而節(jié)約了天線成本，在天線工程中具有良好的應(yīng)用前景。