基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法

楊金鋼 余春明 李維山 張?zhí)禊i

（西安機(jī)電信息研究所，陜西 西安 710065）

引言

引信是武器裝備彈藥中終端毀傷效能的重要控制系統(tǒng)，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中越發(fā)顯示出其重要地位。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化特征日趨加劇和戰(zhàn)場環(huán)境的日趨惡劣，傳統(tǒng)無線電引信的生存能力受到嚴(yán)重威脅。近年來隨著毫米波器件的廣泛應(yīng)用和毫米波技術(shù)自身的一系列的特點(diǎn)[1]，如具有空間分辨力高、頻譜寬等優(yōu)點(diǎn)，使毫米波技術(shù)廣泛應(yīng)用于引信技術(shù)中。

引信一般安裝在彈體頭部，由于彈體飛行過程中處于高速加載、加熱等嚴(yán)峻環(huán)境中，天線裸露在外將會(huì)嚴(yán)重影響其性能，為了保護(hù)天線在復(fù)雜環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作，一般是在引信頭部天線外安裝錐形天線罩保護(hù)[2][3]。早期無線電引信探測器大多工作于厘米波段，天線罩的單層錐形結(jié)構(gòu)相對(duì)波長來說電尺寸較小，可以滿足探測系統(tǒng)的要求，但對(duì)于毫米波技術(shù)，其天線罩已成為電大尺寸，造成了天線方向圖發(fā)生了畸變等輻射性能的下降。

針對(duì)天線罩在毫米波探測系統(tǒng)中已成為電大尺寸，造成了毫米波天線方向圖畸變等輻射性能的下降，不能滿足毫米波引信探測的使用問題，本文提出了一種基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法。

一、傳統(tǒng)無線電引信天線罩設(shè)計(jì)

（一）天線罩介紹

天線罩按照罩壁橫截面材料結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，一般可以分為：單層、A-夾層、B-夾層、C-夾層、多層結(jié)構(gòu)、含金屬物的介質(zhì)層以及空間骨架結(jié)構(gòu)等[4]。不同橫截面的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，具體介紹如下：

1.單層天線罩：從結(jié)構(gòu)上分為均勻厚度和變厚度單層。

2.A-夾層天線罩：由三層結(jié)構(gòu)組合而成，外表面蒙皮使用相對(duì)介電常數(shù)較大的高密度復(fù)合材料，中間芯層使用相對(duì)介電常數(shù)很低的低密度材料。

3.B-夾層天線罩：一種三層結(jié)構(gòu)的天線罩，表面層介質(zhì)材料介電常數(shù)較層介電常數(shù)的均方值。

4.C-夾層天線罩：一種五層結(jié)構(gòu)的天線罩，由外蒙皮、中心蒙皮和兩層中間夾心構(gòu)成。

5.含金屬物的介質(zhì)層天線罩：介質(zhì)中的金屬含物呈球粒狀或薄帶狀對(duì)稱分布，調(diào)節(jié)金屬含量的形狀及分布，可有效地改善介質(zhì)層導(dǎo)納特性，可以實(shí)現(xiàn)頻率濾波、擴(kuò)寬頻帶以及降低天線罩厚度。

天線罩按照氣體動(dòng)力學(xué)外形可以分為正切卵形、錐形、馮卡曼形、半球形以及冪形天線罩[5]，這些天線罩的幾何結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，可以使用明確的函數(shù)f(x,y)表示：

其中x，y 表示二維坐標(biāo)系XOY 內(nèi)坐標(biāo)分量，a、b 分別代表罩體的半徑和長度，v 表示罩體形狀的選擇因子，v 的大小不同所得到的罩體形狀不同。

圖2 為以罩體底部半徑a=1 和長度b=4 的例子。隨著 v 值的增大，天線罩外形圖從內(nèi)凹逐漸外凸。表1 給出了正切卵形、錐形、馮卡曼形和冪形天線罩所對(duì)應(yīng)的選擇因子參數(shù)。

表1 天線罩外形選擇因子

根據(jù)使用場合的不同，可根據(jù)下述選擇不同類型的天線罩：

（1）對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈、炮彈等對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)要求比較高的結(jié)構(gòu)，需要選擇錐形、正切卵形、冪形、馮卡曼形等天線罩；

（2）對(duì)于艦艇雷達(dá)、地面雷達(dá)等對(duì)天線罩電氣特性要求比較高的結(jié)構(gòu)，需要選擇半球形或圓柱形天線罩。

（二）傳統(tǒng)無線電引信天線罩設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)無線電引信探測器大多工作于厘米波段，天線罩壁厚度相對(duì)波長來說電尺寸較小，天線罩設(shè)計(jì)原則如下：

1.在滿足引信特殊環(huán)境的使用要求條件下，如強(qiáng)度、抗燒蝕等使用要求，盡量選擇薄壁厚度天線罩；

2.為進(jìn)一步降低加工制造難度，盡量選擇等薄壁厚度天線罩。

二、基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法

（一）天線罩引起毫米波引信天線輻射性能下降機(jī)理分析

天線罩的存在會(huì)對(duì)罩內(nèi)天線的電性能產(chǎn)生影響，對(duì)于入射到其上的電磁波，罩體一方面會(huì)產(chǎn)生散射，另一方面電磁波也可以透過罩體的介質(zhì)殼體，并在此過程中產(chǎn)生幅度和相位的畸變。這兩方面的因素都會(huì)對(duì)罩內(nèi)天線的電性能產(chǎn)生插入相位移(Insertion Phase Delay,IPD)，造成了有天線罩時(shí)接收到的電磁波的電場相位與沒有天線罩時(shí)接收到的電磁波的電場相位差，使天線罩內(nèi)天線極化方式發(fā)生變化，出現(xiàn)“退極化”現(xiàn)象[6]，對(duì)天線罩內(nèi)天線的輻射方向圖產(chǎn)生影響。

（二）基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法

本文提出的改善方法思路在天線罩體比較難以加工的頭部采取等厚度，而在其他流線型部分采取兩個(gè)變厚度區(qū)域，且這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)是等厚度的，僅在各個(gè)區(qū)域的過渡處為變厚度。采取該改善方法能夠減輕流線型罩體大入射角及入射角分布的不對(duì)稱性引起的電性能惡化，實(shí)現(xiàn)天線方向圖輻射等電性能指標(biāo)改善的目的，還可進(jìn)一步降低制造難度，提高經(jīng)濟(jì)性。圖3 為基于內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)天線罩結(jié)構(gòu)示意圖，該天線罩分為三個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域三為天線罩頭部，采用等厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)；區(qū)域一、區(qū)域二為天線罩流線型位置，采用變厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使毫米波天線輻射電磁波向特定方向分散達(dá)到相位超前或滯后部分的補(bǔ)償，降低插入相位移的影響[7]。

三、仿真及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述改善方法的可行性，采用Ansoft Hfss 軟件分別對(duì)采用傳統(tǒng)天線罩和基于內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)天線罩的毫米波引信天線輻射性能進(jìn)行了仿真，建模和仿真結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6 所示。天線工作頻率約為23GHz，天線罩采用介電常數(shù)為2.2 的聚四氟乙烯材料，基于內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線罩主要物理尺寸：L1 取8.8mm、L2 取10.2mm、L3 取20mm。由圖5 天線輻射方向圖可知，在天線輻射方向與軸向夾角10°和20°處發(fā)生較嚴(yán)重畸變，影響了探測系統(tǒng)正常探測；由圖6 天線輻射方向圖可知，引信天線輻射方向圖光滑漸變，畸變點(diǎn)明顯改善，且增益提高了2.5dB以上，表明了基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法可行，可以滿足探測系統(tǒng)探測要求。

四、結(jié)論

本文提出了一種基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法，該方法通過采用天線罩壁變厚度的內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)，降低了天線罩插入相位移的影響，減輕流線形罩體大入射角及入射角分布的不對(duì)稱性引起的毫米波天線輻射性能惡化，實(shí)現(xiàn)天線方向圖輻射等電性能指標(biāo)改善的目的。仿真驗(yàn)證表明，基于天線罩內(nèi)腔異型設(shè)計(jì)的毫米波引信天線輻射性能改善方法可行，天線輻射方向圖光滑漸變，畸變點(diǎn)明顯改善，天線罩加工易于實(shí)現(xiàn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。后續(xù)還可通過天線罩材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高天線輻射性能。