一種彈載四臂螺旋天線設(shè)計

叢偉杰, 董 浩, 商 鋒

(1.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710121； 2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

彈載制導(dǎo)天線(彈載天線)是彈載通信設(shè)備中接收或發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星無線信號的重要部件，彈載天線的性能優(yōu)劣直接影響整個彈載導(dǎo)航設(shè)備的性能，進而決定了導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)能力。

彈載天線設(shè)計存在諸多難點，由于彈體結(jié)構(gòu)均以金屬為主，天線的外型、尺寸大小以及不同安裝位置都會對天線的性能產(chǎn)生影響[1]。由于導(dǎo)彈的推力來源于尾部的推進裝置，在飛行階段彈體溫度很高，會破壞天線的結(jié)構(gòu)，影響天線性能，彈體尾部不允許安裝電子設(shè)備，所以常見的彈載天線只能安裝在彈頭或者靠近彈體前端的側(cè)部[2-3]。

彈載天線通常使用微帶天線，以共形方式實現(xiàn)[4-5]。例如文獻[6]采用雙層介質(zhì)板開槽共形的方式設(shè)計了一種圓極化微帶天線，其帶寬達到31 MHz，最大增益為2.1 dB，具備周向輻射的天線方向圖；文獻[7]采用多個微帶天線單元，同時實現(xiàn)了前向和側(cè)向輻射；文獻[8]使用單個軸向放置微帶天線的方式，實現(xiàn)了前向輻射。這些研究更多地是照顧彈載天線的前向、周向和側(cè)向輻射，而對天線的后向輻射性能關(guān)注不足。

導(dǎo)彈需要與衛(wèi)星實時通信，以實現(xiàn)精確制導(dǎo)，特別是在導(dǎo)彈彈體飛行的下落過程中尾部向上，且高速旋轉(zhuǎn)[9]，此時需要彈載天線具有一定的后向輻射特性。彈載天線的帶寬較窄、不能照顧到后向輻射，或者后向輻射增益方向圖圓度差，會導(dǎo)致接收機所收到信號的信噪比較大，解調(diào)困難，嚴重時會影響通信[2,10-11]。文獻[3]使用圓形微帶天線實現(xiàn)了后向輻射，同時改善了導(dǎo)彈在飛行過程中天線輻射方向圖圓度，但微帶天線為諧振式天線帶寬較窄，一般為1%～5%，限制了該方案的應(yīng)用范圍。

為了獲得彈體正后方較高的輻射增益和寬帶，本文擬設(shè)計并實現(xiàn)一種彈載天線。利用四臂螺旋天線帶寬和方向圖波束較寬的特點，以及可印制旋臂的特性[12]，將其纏繞在與彈體流線型共形的圓錐形平臺介質(zhì)上制作天線。天線安裝在導(dǎo)彈彈頭前部，采用后向放置方式安裝天線輻射器。使用外部包裹的介質(zhì)將彈體截斷成兩部分，以減少彈體金屬部分對天線性能的影響，增加后向輻射增益。

1 四臂螺旋天線原理

四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)[12]如圖1所示。四臂螺旋天線由4條金屬臂環(huán)繞而成，利用其底部的饋電網(wǎng)絡(luò)對4個旋臂每條臂的一端分別饋電，饋電電流大小相等，相位分別為0°、90°、180°、270°，依次相差90°，以實現(xiàn)天線的圓極化性能。當(dāng)天線臂長為1/4波長的奇數(shù)倍時，非饋電端開路；當(dāng)天線臂長為1/4波長的偶數(shù)倍時，非饋電端短路。

圖1 四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)

四臂螺旋天線的螺柱總長[13]可表示為

(1)

其中：Le為旋臂的長度；r為螺旋的半徑；N為旋臂的匝數(shù);p為天線非饋電端開/短路參數(shù)，當(dāng)天線非饋電端開路時，p=1，非饋電端短路時，p=2。常用的饋電網(wǎng)絡(luò)一般為威爾金森功分器的延伸，其通過延長1/4波長的微帶線的方式產(chǎn)生相位差，這種設(shè)計的效率較低、尺寸較大[14-15]。隨著微電子的發(fā)展，出現(xiàn)了四相位射頻耦合器，這種芯片縮減了饋電網(wǎng)絡(luò)的布線空間，性能較好、相位精度較高[16]。

2 天線設(shè)計

為了獲得天線的性能參數(shù)，使用Ansoft HFSS軟件對天線進行仿真，并在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計天線實物。

2.1 仿真設(shè)計

本文采用帶有圓錐形平臺螺柱的四臂螺旋天線，其結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖2所示。天線旋臂采用金屬薄片，內(nèi)部填充介電常數(shù)為4.7的圓錐形平臺介質(zhì)，外部嵌套相同介電常數(shù)且與彈體流線型共形的介質(zhì)層。天線的旋臂為1/4波長的整數(shù)倍。

圖2 天線結(jié)構(gòu)的仿真

經(jīng)過仿真、調(diào)試后的四臂螺旋天線仿真尺寸為：螺旋上部直徑R1為62 mm，下部直徑R2為45 mm，旋臂寬度A為3 mm，天線總高H為55 mm，螺旋匝數(shù)為0.35 匝。

2.2 實物結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)彈的金屬彈頭由圓錐和圓柱體組成。位于彈頭部位的天線采用朝后放置天線輻射器的方式以增加彈體后部增益。饋電線從螺柱的內(nèi)部穿出，通過同軸線與后部的接收機等設(shè)備連接。在天線安裝段，采用介質(zhì)過渡的方式連接分隔開的兩段金屬彈體，以減少彈體金屬對天線輻射方向圖的影響。天線的安裝位置如圖3所示。

圖3 天線的安裝位置

印制天線的平面示意，如圖4所示。4個螺旋臂采用印制微帶線的方式形成，并卷貼在圖5所示圓錐形平臺介質(zhì)上。圓錐形平臺介質(zhì)和外部嵌套介質(zhì)材料采用介電常數(shù)為4.7的工程塑料，三段結(jié)構(gòu)使用螺紋連接。

圖4 印制天線示意

圖5 圓錐形平臺介質(zhì)結(jié)構(gòu)

天線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。天線的饋電網(wǎng)絡(luò)采用集成的四相位射頻耦合器芯片，從芯片的4個引腳引出4條等長的微帶線，保證4路信號的等幅度輸出。饋電網(wǎng)絡(luò)采用厚度為1 mm，介電常數(shù)為2.65的F4BM板材。

圖6 天線饋電網(wǎng)絡(luò)示意

3 實驗結(jié)果及分析

對設(shè)計天線進行仿真和實測，驗證天線的性能。

3.1 仿真結(jié)果及分析

利用Ansoft HFSS軟件仿真，改變印刷旋臂的匝數(shù)N，使天線的諧振頻率達到所需的工作頻段1 268.52 MHz±10.23 MHz。在端口特性阻抗默認為50 Ω條件下，天線的仿真回波損耗隨匝數(shù)N的變化情況，如圖7所示。可見在1 268.52 MHz±10.23 MHz的帶寬范圍內(nèi)，當(dāng)N取0.34時，天線的回波損耗小于-15 dB，端口匹配良好。

圖7 回波損耗隨匝數(shù)N的變化

為了衡量各個饋電端口之間的相互串?dāng)_和隔離，引入Scatter參數(shù)[17]反映不同端口之間隔離度特性。令S11表示端口1的反射系數(shù)，S21表示端口1到端口2的傳輸系數(shù)。所設(shè)計天線4個饋電端口之間的隔離度曲線如圖8所示?？梢?個端口的在1 268.52 MHz處的隔離度均大于-15 dB，不同端口之間的互耦作用較小，端口隔離性能較好。

圖8 天線4個饋電端口的隔離度曲線

一般通過天線E面和H面的方向圖來體現(xiàn)天線的遠場方向圖[18]。假設(shè)天線放置為坐標軸原點，最大輻射方向為Z軸方向，則與XOY面平行的平面為天線的H面方向；過原點與XOY面垂直的平面為天線的E面。設(shè)XOY面上與X軸的夾角為φ，XOZ面上與Z軸的夾角為θ，則天線E面增益方向圖如圖9所示?？梢钥闯觯炀€增益方向圖在±30°范圍內(nèi)大于0 dB，在0°大于2.5 dB，說明天線在主輻射方向上增益良好。

設(shè)計天線的3D輻射方向仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯谥鬏椛浞较蛏系姆较驁D具有良好的圓度。能夠滿足彈體在高速旋轉(zhuǎn)下落過程中與衛(wèi)星通信的要求。

用軸比來衡量四臂螺旋天線的圓極化性能[10]，設(shè)計天線的軸比曲線如圖11所示?？梢?，在±30°的范圍內(nèi)軸比小于3 dB，圓極化性能較好，極化損失較小。

圖9 天線的E面增益方向圖

圖10 天線3D輻射方向仿真結(jié)果

圖11 天線軸比曲線

3.2 實物測量

根據(jù)天線在金屬彈體中的實際工作環(huán)境，設(shè)計了部分彈體結(jié)構(gòu)。彈體和天線實物，圖12所示。

圖12 天線實物

使用Keysight E5071C ENA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線端口的回波損耗，其結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯?，在1 268.52 MHz± 10.23 MHz的帶寬范圍內(nèi)，天線的回波損耗小于-15 dB，可見實測天線匹配良好，在接近仿真結(jié)果的同時帶寬達到170 MHz。

圖13 回波損耗實測結(jié)果

在微波暗室中測量天線實物的歸一化E面增益方向圖如圖14所示。在0°時，增益大于-1 dB，±30°波束寬度內(nèi)增益大于-5 dB，圓度小于2 dB。

圖14 歸一化E面方向圖

實測天線軸比結(jié)果如圖15所示，0°軸比為6 dB左右，與仿真結(jié)果的3 dB以下相比較差，但已達到實際使用標準。

圖15 天線的軸比

實測天線的增益較仿真增益低，天線的正前方軸比也較仿真結(jié)果差，這是由于內(nèi)外部材料的介質(zhì)損耗過大、介質(zhì)和天線旋臂加工誤差、旋臂焊接的不一致性等因素導(dǎo)致的。但是，天線實物已經(jīng)達到工程使用標準，在±30°波束寬度內(nèi)實測天線圓度小于2 dB，滿足彈體在下落、旋轉(zhuǎn)過程中對天線增益方向圖圓度的要求。

與同樣實現(xiàn)后向的輻射文獻[3]方案相比，文獻[3]方案天線在彈體正后方0°、±10°和±30°的波束增益分別為0 dB、-4 dB和-9 dB；本方案天線在彈體正后方0°、±10°和±30°的波束增益分別為-1 dB，-3dB，-5 dB左右，且相對帶寬達到13%，說明本方案的設(shè)計性能較好。

4 結(jié) 語

為提升彈載天線的帶寬、輻射增益及其水平圓度，利用四臂螺旋天線帶寬較寬、易于共形和波束寬度較寬的特點設(shè)計并實現(xiàn)了一款圓錐平臺形四臂螺旋彈載天線。為增強后向增益，使用外部包裹的介質(zhì)將彈體截斷成兩部分，并采用天線后向放置方式。經(jīng)過對實物的測量表明，彈體正后方增益大于-2 dB，在±30°的波束寬度軸比小于6 dB，圓度小于2 dB，饋電端口回波損耗在1 268.52 MHz范圍內(nèi)小于-15 dB。相對于同類型已有研究，設(shè)計天線的后向輻射波束寬度較寬、增益較大。