熊 波，曾 鑫，于德海，邢永強(qiáng)

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;2.海軍某工程建設(shè)指揮部，北京 100036;3.92514 部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001)

微帶天線是1 種使用微帶貼片作為輻射源的天線，具有剖面低、體積小、質(zhì)量輕、可共形、易集成、饋電方式靈活、便于獲得線極化和圓極化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通訊、導(dǎo)彈遙測、多普勒雷達(dá)等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但微帶天線也具有功率容量小、方向圖較寬的缺點(diǎn)［1-2］。

反艦導(dǎo)彈一般采用無線電高度表作為導(dǎo)彈掠海飛行的高度指示，為導(dǎo)彈飛行安全提供保障。導(dǎo)彈一般飛行高度較低，這樣可降低被雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)的概率。某型反艦導(dǎo)彈高度表采用微帶天線陣列的方式來獲得主瓣方向較窄的方向圖和較高的增益，其天線主瓣垂直向下，水平方向增益很小。由于作戰(zhàn)過程中，很難從垂直方向?qū)β雍ｏw行的導(dǎo)彈實(shí)施偵察和干擾，而高度表天線在水平方向增益又很小，因此導(dǎo)彈高度表具有很強(qiáng)的抗干擾能力，對其實(shí)施干擾是電子對抗研究的一個(gè)難點(diǎn)［3-5］。

通常情況下，可認(rèn)為微帶天線工作在準(zhǔn)TEM 模式，但事實(shí)上微帶天線并非工作在嚴(yán)格的TEM 波，而是主模為TM10模的TM 波［6］。為研究對導(dǎo)彈無線電高度表實(shí)施干擾的可能途徑，本文對某型導(dǎo)彈高度表進(jìn)行了仿真分析。

1 微帶陣列理論

1.1 矩形微帶天線原理

對微帶天線進(jìn)行分析的方法主要有傳輸線法、空腔模法和全波法3 種。傳輸線法與空腔模法可得到天線電性能與參數(shù)間簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，但精度較低。而以麥克斯韋方程時(shí)域解為基礎(chǔ)的全波法則具有如下特點(diǎn)［6］:①精確，能對阻抗特性和輻射特性提供精確的結(jié)果;②完整，結(jié)果包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、表面波輻射、空間波輻射及外部耦合;③可分析任意形狀單層和多層微帶天線和陣列以及各種饋電方法;④計(jì)算量大。

傳輸線模型認(rèn)為矩形微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生的。假設(shè)電場沿微帶結(jié)構(gòu)寬度和厚度方向沒有變化，則輻射器的電場僅沿約為半波長的貼片長度方向變化。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對地板可分解為法向和切向2個(gè)分量，由于貼片長度為λ/2，因此法向分量反相，由其產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場在正面方向上互相抵消;但平行于地板的切向分量同相，合成場增強(qiáng)，從而使垂直于地板的切向分量同相，合成場增強(qiáng)，故垂直于結(jié)構(gòu)表面的方向上輻射場最強(qiáng)。因此貼片可等效為2 個(gè)相距、同相激勵(lì)并向地板以上半空間輻射的2個(gè)縫隙。對微帶貼片沿寬度方向的電場變化也可采用同樣的方法等效為同樣的縫隙。這樣，微帶貼片天線的輻射就等效為微帶天線周圍4 個(gè)縫隙的輻射。

空腔模理論基于薄微帶天線(h ＜＜λ)的假設(shè)，將導(dǎo)電貼片與導(dǎo)電接地板的空間看成四周為磁壁、上下為電壁的諧振腔。這種方法把天線問題分成2 部分:求天線的場源分布即空腔封閉面內(nèi)的場，以及求天線的外場問題?？涨荒Ｐ湍軐ξ炀€的工作特性有更深入的物理理解，而矩形微帶天線的傳輸線模型是空腔模型只有主模時(shí)的特例。

根據(jù)空腔模理論，不同工作模式下矩形貼片天線的諧振頻率為

式中:m，n 為工作模序數(shù);l 為矩形貼片長度;w 為矩形貼片寬度;εe為等效介電常數(shù)

由式(1)可以看出，不同模式下貼片天線具有不同的諧振頻率。

1.2 微帶陣列理論

微帶天線單元的增益較小，一般單個(gè)貼片單元的輻射增益只有6 ～8 dB，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和獲得更大的增益，尤其是對天線的方向性要求比較苛刻的場合，常采用由微帶輻射單元組成的微帶天線陣列。如果對增益要求更高，則可采用大型微帶陣列天線結(jié)構(gòu)［7］。

假設(shè)由若干相同微帶天線元組成的平面陣結(jié)構(gòu)以原點(diǎn)天線單元為相位參考點(diǎn)，為了簡化分析，假設(shè)陣列中各單元間互耦影響忽略不計(jì)，天線陣在遠(yuǎn)區(qū)的輻射總場E(θ，φ)為

其中:f(θ，φ)為陣元的方向性函數(shù);S(θ，φ)為平面陣的陣方向性函數(shù)。

2 HFSS 仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)

HFSS 是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件，是世界上第1 個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，也是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS 軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D 圖和3 dB 帶寬，也可以繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig 第三定義場分量和軸比。

使用HFSS 可以計(jì)算:①基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題;②端口特征阻抗和傳輸常數(shù);③S 參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S 參數(shù);④結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)［8-10］。

3 基于HFSS 的高度表天線建模仿真

某型導(dǎo)彈無線電高度表采用2 ×2 貼片天線陣列，在Ansoft HFSS 中建立天線模型如圖1 所示。

圖1 天線模型

掃頻得到S 參數(shù)如圖2 所示。

圖2 S 參數(shù)

從圖2 可以看出，在中心頻率及其2 倍頻率處S 參數(shù)均小于-15 dB，說明貼片天線具有多種電磁波傳播模式，在不同模式下具有不同的中心頻率，這與空腔模理論分析是吻合的。

在主模TM10模式下，天線3D 方向圖如圖3 所示。

圖3 主模式下天線3D 方向圖

從圖3 可以看出，陣列天線具有很好的方向性，主瓣最大增益為12 dB，指向垂直方向。

在高次模式下，天線3D 方向圖如圖4 所示。

圖4 高次模式下天線3D 方向圖

從圖4 可以看出，高次模式下，貼片天線在幾個(gè)不同方向均有很大增益，其中包括水平方向，增益達(dá)到13 dB。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)空腔模理論，微帶天線具有多種傳播模式，而通常采用的矩形微帶天線的傳輸線模型是空腔模型只有主模時(shí)的特例［11］。本文對某型高度表微帶陣列天線進(jìn)行了仿真，從S 參數(shù)可以看出:天線具有多種傳播模式，不同模式對應(yīng)不同的中心頻率;在主模式下，微帶陣列天線具有很好的方向性，天線方向圖在垂直方向具有最大增益;在高次模式下，貼片天線在包括水平方向在內(nèi)的幾個(gè)不同方向都有很大的增益，因此帶外干擾信號(hào)有可能從水平方向?qū)Ω叨缺碓斐筛蓴_。

5 結(jié)束語

反艦導(dǎo)彈無線電高度表為導(dǎo)彈提供巡飛高度指示，一旦對其干擾成功，導(dǎo)彈就會(huì)掉入海中墜毀。某型反艦導(dǎo)彈采用微帶陣列天線，在主模式下，天線主瓣指向垂直向下，干擾信號(hào)很難通過水平方向進(jìn)入高度表。但在高次模式下，天線在水平方向具有較大的增益，因此帶外干擾信號(hào)可以通過天線進(jìn)入接收機(jī)。至于帶外干擾信號(hào)對高度表接收機(jī)的干擾效果是下一步要研究的內(nèi)容。

［1］丁毅，王光明，蘇文然.一種新型單層單貼片寬帶圓形微帶天線［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(5):274-276.

［2］Matin M A，Sharif B S，Tsimenidis C C.Dual layer stacked rectangular microstrip patch antenna for ultra wideband applications［J］. IET Microwaves，Antennas and propagation，2007，1(6):1192-1196.

［3］安紅.雷達(dá)高度表干擾仿真研究［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(5):1221-1225.

［4］張功學(xué)，田寶杰，李建強(qiáng).一種擴(kuò)頻高度表的載波跟蹤方案［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(1):202-204.

［5］張洪濤.脈沖雷達(dá)高度表干擾模式研究［J］.電子對抗，2006(5):11-14.

［6］張祖稷，金林，束咸榮.雷達(dá)天線技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:56-66.

［7］惠鵬飛，夏穎，周喜權(quán)，等.基于HFSS 的4×24 微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)［J］. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(5):9-12.

［8］謝擁軍，王鵬，李磊，等.Ansoft HFSS 基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007:1.

［9］張?zhí)扈?基于HFSS 的不同形狀微帶貼片天線的仿真設(shè)計(jì)［J］.吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，11(4):121-125.

［10］李艷，戴亞文.基于HFSS 矩形微帶貼片天線的仿真設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39(10):40-41.

［11］施建洪，張兆寶. 某型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈機(jī)內(nèi)測試方法［J］. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4):439-442.