張 彬 ，許家棟 ，付 鵬 ，周 沖 ，石 帥

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710129；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安710072）

隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，天線已經(jīng)越來越多地被裝載在火箭、導(dǎo)彈等載體上。對于彈載天線而言，由于導(dǎo)彈在飛行過程中的姿態(tài)是變化的，為了能有效接收或發(fā)射電磁能量，彈載天線最好具有圓極化特性。圓極化天線能接收到任意方向的線極化波，且有較強的抗雨霧干擾能力[1]，在無線通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

彈載天線必須具備體積小、重量輕、機械強度好、易于共形且不影響載體的氣動性能等特點。常用的彈載天線包括振子天線、縫隙天線、螺旋天線、波導(dǎo)天線、微帶天線等[2]。設(shè)計時具體選用哪一種天線形式，要綜合考慮天線的尺寸、電特性、安裝位置、能否與載體共形等因素。文獻[3]提出了一種與導(dǎo)彈橫截面共形的圓極化微帶天線，通過開槽、簡并模分離等技術(shù)實現(xiàn)了小型化和圓極化，主輻射方向指向?qū)椪胺剑@種結(jié)構(gòu)的天線只適合裝載在彈體頭部位置。很多時候需要把天線裝載在彈體側(cè)面。文獻[4]設(shè)計了一種安裝在彈體側(cè)面的微帶螺旋天線，主輻射方向垂直于彈體軸線，但不易與載體共形。文獻[5]設(shè)計了一個高增益的彈載平面八木天線，由于采用了16個引向器，使得天線尺寸很大，不便于安裝。

為了設(shè)計出尺寸小、能裝載在彈體側(cè)面、主輻射方向指向?qū)椪胺角乙着c載體共形的彈載天線，本文對文獻[5]的八木天線作了改進。利用鏡像原理使得天線尺寸減小一半，對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，解決了饋電問題，并以此為陣元，采用文獻[6]介紹的順序旋轉(zhuǎn)布陣法，通過控制天線單元饋電端口的相位，設(shè)計了一個具有寬帶圓極化特性的印刷八木天線陣。

1 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

印刷八木天線陣結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。該陣列由4個印刷八木天線單元組成，安裝在彈尾四周。印刷八木天線單元的極化方向與振子方向一致，輻射線極化波。一個圓極化波可以分解成兩個在空間和時間上均正交的等幅線極化波，因此，要實現(xiàn)圓極化特性，只需產(chǎn)生兩個在空間上正交的線極化電場分量并使二者振幅相等且相位差為90°。在本文的設(shè)計中，為了不破壞導(dǎo)彈的氣動性能和保證方向圖的對稱性，采用旋轉(zhuǎn)對稱的4元陣結(jié)構(gòu)，并通過控制天線饋電端口的相對相位，使之依次為 0°、90°、180°和 270°，實現(xiàn)圓極化。 饋電網(wǎng)絡(luò)由一個寬帶反相器與兩個寬帶90°移相器級聯(lián)而成，其原理圖如圖1(b)所示。

圖1 印刷八木天線陣Fig.1 Printed Yagi antenna array

2 印刷八木天線單元設(shè)計

采用印刷八木天線作為基本單元，是因為該天線結(jié)構(gòu)簡單，可以裝載在彈體側(cè)面，易于與導(dǎo)彈尾翼共形，且為端射天線。其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。該種天線于1928年首次被提出[7]，結(jié)構(gòu)上具有對稱性。根據(jù)鏡像原理可知，圖1(c)所示兩個印刷八木天線的在右半空間產(chǎn)生的輻射場是相等的。本文用鋁管模擬導(dǎo)彈殼體，由于鋁管直徑相對于天線介質(zhì)基板厚度很大，可用來代替無限大接地導(dǎo)體。從而，所需設(shè)計的印刷八木天線為原天線結(jié)構(gòu)的一半，如圖1(d)所示。可見，該天線單元由有源振子、引向器、反射器、介質(zhì)板、鏡像地等幾個部分組成。引向器和反向器的作用是將有源振子的能量引到主輻射方向上去。由于引向器和反射器很難焊接到鋁管上，為了保證鏡像的完整，我們在鋁管（導(dǎo)彈）上開槽，天線通過槽與緊貼在鋁管內(nèi)壁的鏡像地（銅片）焊接到一起。天線用SMA接頭直接饋電，接頭的外導(dǎo)體與鏡像地連接，內(nèi)導(dǎo)體穿過鏡像地上的通孔與有源振子連接。

用鋁管模擬導(dǎo)彈，導(dǎo)彈長度H=210 mm，外徑D=80 mm，壁厚為2 mm。采用介電常數(shù)εr為4.4的普通FR-4板材，厚度為1 mm。應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS13.0建立天線模型，對其各個參數(shù)進行優(yōu)化，得到一組最佳尺寸，如表1所示?；谝陨宪浖抡娼Y(jié)果，制作了天線實物并對其性能進行了測量，實物如圖2所示。印刷八木天線陣的4個饋電端口與饋電網(wǎng)絡(luò)的4個輸出端口之間通過4根等相位（同軸）線相連。

圖2 天線陣實物圖Fig.2 Photo of the fabricated antenna

表1 天線尺寸（單位：mm)Tab.1 Size of the antenna mm

3 仿真與實測結(jié)果分析

圖3(a)為天線陣的回波損耗S11曲線。天線的S11小于-10 dB的頻段覆蓋了整個X波段，相對帶寬達40%以上，實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。圖3(b)為天線陣的增益曲線。在8～12 GHz頻段內(nèi)，仿真增益在4～6 dB之間，測試增益在4.5 dB上下波動，整體上比仿真結(jié)果要小。圖3(c)為主輻射方向上的軸比隨頻率的變化。由于天線結(jié)構(gòu)對稱，仿真軸比在整個X波段內(nèi)都很小，約為0.2dB，呈現(xiàn)很好的圓極化特性。測試軸比曲線波動較大，在8.3～8.7 GHz頻段內(nèi)為大于3 dB，在X波段其余頻帶內(nèi)都小于3 dB。圖3(d)為10 GHz處主平面內(nèi)的極化軸比。由該圖可知，在主平面的不同角度內(nèi)，軸比不相同。在主瓣范圍內(nèi)，測試結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。在Theta=0°的主輻射方向，軸比為0.8 dB。在偏離主輻射方向±4°的掃描角范圍內(nèi)，軸比小于3 dB，滿足圓極化設(shè)計要求。

圖3 天線陣回波損耗、增益和軸比的仿真與測試結(jié)果Fig.3 Simulated and measured return loss,gain and axial ratio of the antenna array

圖 4(a)、(b)和(c)為天線陣在 8 GHz、10 GHz 和 12 GHz處的歸一化輻射方向圖?？梢姡较驁D呈現(xiàn)花瓣狀，測試方向圖與仿真方向圖有較好的一致性。在兩個相互垂直的主平面內(nèi)的方向圖基本重合，且有較好的對稱性。主輻射方向指向?qū)椪胺?。隨著頻率增大，天線主瓣寬度逐漸變窄。在8 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±8°；在 12 GHz處，3 dB 波瓣寬度為±4°。柵瓣電平比較大，在高頻時甚至比主瓣電平還高。過高的柵瓣電平，不僅會使輻射能量分散，增益下降，還會造成對目標定位、測向等的錯誤判斷，應(yīng)當給予抑制。在本文的設(shè)計中，會出現(xiàn)窄的主瓣和高的柵瓣，主要受天線結(jié)構(gòu)限制。在本文的設(shè)計中，印刷八木天線單元裝載在導(dǎo)彈四周，導(dǎo)彈直徑為80 mm，X波段中心頻率10 GHz處的波長λ為30 mm，單元天線間距為2.6λ，根據(jù)陣列天線理論，陣元間距d過大，會使得副瓣電平升高，主瓣寬度變窄。鑒于該天線陣較窄的角域覆蓋能力，為了有效接收或輻射電磁能量，對導(dǎo)彈的發(fā)射精度有較高的要求。

由上述分析可知，該天線陣的回波損耗S11、方向圖等參數(shù)的實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，但實測增益比仿真增益略低，實測軸比會惡化，這主要由以下幾個方面的因素引起。第一，天線陣各部件加工、組裝誤差。制作實物時，鏡像地?zé)o法像仿真模型中一樣跟鋁管緊密貼合，影響地電流的連續(xù)性[8]。印刷八木天線單元安裝在鋁管開的槽中，只能通過目測定位，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上略有不對稱。第二，測試時采用購買來的功分器（如圖2所示）給各單元天線饋電，功分器性能不理想對天線參數(shù)影響很大，特別是增益和軸比。功分器插入損耗偏大，導(dǎo)致測量增益降低；另外，功分器4個輸出端口輸出信號幅度不相等，或相位偏離 0°、90°、180°和 270°的相對關(guān)系，則會影響天線陣的圓極化性能（軸比惡化）。第三，等相位線引入誤差。測量時，天線陣各陣元饋電端口與功分器輸出端口之間是用四根長度相等（等相位）的同軸線連接的。連接時，同軸線被彎折，損耗和相移發(fā)生變化，影響軸比。第四，測試誤差。在本文的設(shè)計中，采用Agilent公司的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線陣回波損耗S11，利用微波暗室測量輻射方向圖，受測試環(huán)境和測試方法影響，不可避免地會引入誤差。

圖4 天線陣方向圖仿真與測試結(jié)果Fig.4 Simulated and measured radiation pattern of the antenna array

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種彈載印刷八木天線陣，可工作于X波段，具有尺寸小、重量輕、能安裝在彈體側(cè)面與導(dǎo)彈尾翼共形等優(yōu)點。對天線的測試結(jié)果和仿真結(jié)果進行了比較分析。該天線在整個X波段內(nèi)回波損耗均小于-10 dB，相對帶寬達40%以上；主輻射方向指向?qū)椪胺剑? dB波瓣寬度為±4°，平均增益達4.5 dB；主輻射方向極化軸比為 0.8dB，在±4°天線掃描空間內(nèi)，軸比小于3 dB，滿足圓極化設(shè)計要求?；谝陨蟽?yōu)點，該彈載寬帶圓極化天線陣在電子對抗領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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