亓 東，王孟倫，李 曉

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

諧波雷達體制引信，利用目標的非線性特性產(chǎn)生的三次諧波信息，實現(xiàn)對目標尤其是人造金屬結(jié)構(gòu)目標的判別。相對于常用體制引信，能夠提供更為豐富的信息、更強的抗轉(zhuǎn)發(fā)式以及壓制式干擾能力[1]。該體制引信接收信號頻率一般為發(fā)射信號頻率的三倍或者更高，這就對引信收發(fā)天線的設計帶來了更大的挑戰(zhàn)。常規(guī)體制無線電引信多采用共形的波導或微帶天線形式，當收發(fā)頻差較大時，普通形式大尺寸或兩種結(jié)構(gòu)形式的天線將面臨安裝復雜化帶來的強度降低以及結(jié)構(gòu)問題，而單一形式常用的雙頻天線難以實現(xiàn)跨波段的較大頻率跨越[2]。

設計了一種以X波段為基頻發(fā)射天線、以Ka波段為接收天線的共口徑收發(fā)引信天線形式，實現(xiàn)了諧波雷達引信天線的結(jié)構(gòu)緊湊性和模塊化安裝；同時為提高引信接收機信噪比，減小有源器件帶來的高寬帶噪聲影響，提高抗寬帶干擾能力，為天線設計了一種雙頻窄帶引信天線罩，在起到隔熱整流效果的同時，提高引信的頻率選擇接收能力，降低了天線系統(tǒng)的平面安裝復雜程度，優(yōu)化了接收系統(tǒng)的整體效能。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 天線系統(tǒng)組成

考慮武器系統(tǒng)彈體表面安裝空間的緊湊性以及空氣動力的影響，無線電引信天線不能占據(jù)過多的徑向空間以及表面尺寸，引信收發(fā)天線需要選用一種徑向尺寸較小的天線形式。微帶天線一般采用柔性基板蝕刻的形式，具有利于安裝及結(jié)構(gòu)共形的特點，可以作為該需求下的實現(xiàn)方案。

對于彈體全向探測的引信天線形式，周向的探測能力取決于天線的覆蓋性能，同時又進一步?jīng)Q定了射頻通道的數(shù)量。選用的微帶貼片天線作為單元的基本實現(xiàn)形式，單元的E面寬度即決定了單套天線的周向覆蓋角度[3-9]。

選用的發(fā)射基頻天線以及諧波接收天線的周向?qū)挾确謩e如圖1所示。

圖1 天線方向圖

微帶貼片天線的周向波束寬度在75°左右，因此對于系統(tǒng)設計，需要沿彈體方向設置5個獨立的射頻通道，以實現(xiàn)對全向360°范圍的覆蓋；同時，可通過對多通道回波信號的比幅判別計算，理論上達到對全向范圍內(nèi)的目標精確定向探測。天線的周向布局如圖2所示。

圖2 天線構(gòu)架圖

1.2 天線罩功能

導彈武器系統(tǒng)中，為起到隔熱整流的效果，一般采用輕質(zhì)耐高溫的復合材料作為安裝于彈體表面外置天線罩形式。將頻率選擇技術(shù)應用于以復合材料為基底制造的引信天線罩中，使單個天線罩工作于X、Ka兩個不同的工作頻段中，在相對于工作頻率的窄帶范圍內(nèi)，天線罩對天線收發(fā)信號保持正常的透波，對兩頻率點帶外的信號進行阻帶抑制，可有效降低由于混合結(jié)構(gòu)微帶天線帶來的多諧振點造成的有源噪聲抬高。從RCS觀點來看，采用該種形式天線罩后，導彈無線電引信在工作頻點內(nèi)是透明的，對于工作頻段外的有源干擾及轉(zhuǎn)發(fā)探測信號，引信處于透明狀態(tài)。

2 天線及天線罩設計

2.1 天線設計

雙頻段共口徑天線的設計關(guān)鍵在于天線結(jié)構(gòu)形式的選取、陣面布局及饋電網(wǎng)絡的設計。

根據(jù)引信天線的探測需求，單個引信陣列需要實現(xiàn)彈體軸向的窄波束低副瓣設計，需要采用能夠提夠錐削分布的并行或串行饋電網(wǎng)絡，以多個單元線性陣列的方式完成單陣列的組陣。接收天線頻率為發(fā)射天線頻率的三次諧波，因此X波段天線陣單元間距基本為Ka波段天線單元間距的3倍。兩饋電網(wǎng)絡對稱陣列并行放置，實現(xiàn)對各個單元幅相饋電[10-12]。

對于復合了基頻及三次諧波的收發(fā)兩種天線，多個貼片及復雜的饋電網(wǎng)絡相互之間的串擾將非常嚴重。為減小復雜饋電網(wǎng)絡帶來的寄生輻射，降低不同頻段間的耦合，避免大尺寸饋線造成的空間尺寸的不足，采用了多層結(jié)構(gòu)將基頻和諧波頻率饋電網(wǎng)絡放置在不同的介質(zhì)層上，貼片天線單元采用分層放置的形式，同一層的基頻與諧振頻率之間、天線之間拉開一定的間距以降低頻間互耦現(xiàn)象。

天線的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)由微帶貼片單元、饋電網(wǎng)絡、介質(zhì)基板和接地板組成，其中介質(zhì)基板共6層，最上面兩層基板為Rogers 5880 的兩層厚度為0.508 mm的介質(zhì)基板，Ka波段接收天線單元蝕刻于介質(zhì)基板的最上層，饋電耦合縫隙位于第1層基板與第2層基板之間，發(fā)射天線饋線位于第2層下部。從第3層介質(zhì)基板分布X波段發(fā)射天線單元、帶狀線饋電網(wǎng)絡，為改善發(fā)射天線單元輻射性能，在兩層帶狀線基板與天線單元基板之間增加介電常數(shù)為1.06的PMI鋼化發(fā)泡材料。天線整體將發(fā)射及接收微帶單元或饋線分布在不同層的基板上。為進一步降低耦合，在交錯分布的第3層拉開一定的橫向距離，增大兩端口之間的信號串擾。

圖3 天線切面結(jié)構(gòu)圖

在微帶饋電線及上層輻射貼片之間，天線采用H形饋電耦合縫隙，以提供較好的饋電效率和極化純度，如圖4所示，除貼片單元尺寸外，H形縫隙的尺寸對諧振頻率及諧振電阻均由較大的影響。在現(xiàn)有介質(zhì)基板分層條件下，分別對縫隙的臂長及長度進行仿真優(yōu)化，結(jié)合微帶貼片的設計，完成天線單元的諧振設計。

圖4 H形耦合縫隙

整體設計后的天線基頻天線單元與諧波天線單元外形仿真外形如圖5所示。

圖5 雙單元計算模型

兩單元諧振計算曲線如圖6、圖7所示。

圖6 基頻發(fā)射天線諧振曲線

圖7 諧波接收天線諧振曲線

經(jīng)對貼片單元、饋電耦合縫隙、結(jié)構(gòu)尺寸等敏感參數(shù)的調(diào)整，基頻發(fā)射天線設計諧振點在11.03 GHz的反射系數(shù)S11≤27 dB,曲線諧振點較設計點偏離0.03 GHz，但由于曲線整體S11≤-15 dB大于500 MHz范圍較寬，不影響發(fā)射天線的設計使用,諧波接收天線諧振最低在33.1 GHz，諧振頻率為發(fā)射天線的3倍。

天線采用8個單元的線性陣列設計，饋電網(wǎng)絡以并饋不等分不同相網(wǎng)絡設計方式。為實現(xiàn)低副瓣設計，收發(fā)天線功分網(wǎng)絡均采用Haming分布，理論電壓分配比設計為：0.084∶0.265∶0.673∶1∶1∶0.673∶0.265∶0.084，同時，為實現(xiàn)波束的前傾探測，對線性陣列進行網(wǎng)絡配相設計[13-15]，即將各個單元的相位通過調(diào)整饋線長度的方式使單元相位步進遞增，設計完成后的8元不等分饋電網(wǎng)絡如圖8所示。

圖8 不等分饋電網(wǎng)絡

將兩不等分不等相饋電網(wǎng)絡與8元天線貼片級聯(lián)，完成線性陣列整體設計，計算完成后的基頻發(fā)射天線及諧波接收天線方向如圖9、圖10所示，所設計的引信收發(fā)天線實現(xiàn)了波束前傾設計，天線前向整體副瓣電平優(yōu)于-20 dB。

圖9 發(fā)射天線方向圖

圖10 接收天線方向圖

2.2 雙頻天線罩設計

通過天線的頻選設計，以實現(xiàn)三次諧波雙頻窄帶選擇功能，更好的抑制帶外的信號干擾。天線罩設計的關(guān)鍵在于天線罩內(nèi)部蝕刻的頻率選擇單元的設計以及天線罩的整體制造方式。

2.2.1 頻率選擇單元設計

FSS(frequency selective surface)單元的選擇是實現(xiàn)雙頻窄帶天線罩設計的關(guān)鍵。FSS單元設計優(yōu)化的目標為在保證引信天線罩基本透射功能的基礎上，通過FSS單元形狀及整體結(jié)構(gòu)的良好設計，使頻域特性呈現(xiàn)通帶濾波的特點。因此，F(xiàn)SS單元的諧振選擇及設計是功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

FSS傳輸特性的主要參數(shù)有中心頻率、帶寬以及傳輸系數(shù)等，這與FSS單元的大小、形狀和周期排布方式、電磁波的極化方式等有關(guān)。FSS設計中陣列周期的選擇應主要考慮避免結(jié)構(gòu)的規(guī)定頻域內(nèi)表面波的傳輸，使諧振頻率盡量受電磁波的入射角度影響較小。根據(jù)引信天線罩的可能厚度范圍限制，以基頻及諧振頻率為設計通帶中心頻率，通過對不同形狀諧振單元的仿真計算，選擇嵌套方環(huán)單元作為雙頻窄帶單元的實現(xiàn)方式。

對于多諧振單元設計，多采用多諧振單元和多層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法設計多頻帶頻率選擇表面。常用的多諧振單元，其諧振頻率與單元的幾何參數(shù)之間具有直接而簡單的對應關(guān)系，適當?shù)卦O置幾何參數(shù)可將頻率選擇表面濾波器的工作頻帶調(diào)節(jié)到所需頻點。確定多諧振單元后，再根據(jù)設計指標所要求的上下邊帶特性，決定采用一層或多層結(jié)構(gòu)。對于嵌套方環(huán)結(jié)構(gòu)，通過對方環(huán)寬度、嵌套深度、開環(huán)枝節(jié)以及基板厚度等參數(shù)的調(diào)整設計，得到嵌套方環(huán)單元外形如圖11所示。

單元的寬帶頻率響應曲線如圖12所示。

FSS單元在兩個頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了窄帶透射性能，有效減小了可能帶外的回波接收?；谠摲N單元形狀，在結(jié)構(gòu)上以聚酰亞胺覆銅薄膜板作為單元的基板，厚度0.04 mm，以六屏結(jié)構(gòu)作為多層實現(xiàn)方式。

圖11 單元形狀

圖12 單元頻率影響曲線

2.2.2 頻選引信天線罩加工及測試

目前，普遍使用的天線罩復合材料有玻璃纖維、芳綸、石英纖維和聚乙烯纖維等增強的樹脂基復合材料。復合材料的耐溫性主要取決于選用的樹脂基體，聚酰亞胺是典型的高溫聚合物基材料，因此選擇外層覆蓋石英增強聚酰亞胺材料作為FSS薄膜結(jié)構(gòu)的保護層。石英纖維作為骨架增強材料，每層復合材料的厚度不大于0.1 mm。

采用光刻法加工FSS多屏結(jié)構(gòu)，以杜邦公司的AP8525R 雙面撓性板作為FSS的加工基材，板材為聚酰亞胺，厚度為0.050 8 mm，正反面的表面覆銅層均為0.018 mm，其中嵌入覆銅結(jié)構(gòu)加工結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 嵌入覆銅結(jié)構(gòu)圖

將加工完成的FSS 板材夾層在聚酰亞胺石英纖維布預浸料中，300 ℃高溫模壓成型制備天線罩。單層FSS 厚度小于0.1 mm，兩側(cè)各增加兩層聚酰亞胺預浸料，每層預浸料厚度為0.1 mm，則天線罩的總厚度不超過0.5 mm，制備流程如圖14所示。

圖14 制備過程

制備完成后的雙頻引信天線罩如圖15所示。

圖15 雙頻天線罩外形

通過矢量網(wǎng)絡分析儀對材料試片的透射性能進行測試，得到涵蓋兩頻點的透射曲線如圖16所示。

圖16 雙頻天線罩測試通帶

經(jīng)過對制備的雙頻天線罩的測試，基于FSS的雙頻天線罩在基頻及諧波頻率基本實現(xiàn)了兩頻點透射，但在第二頻率點的頻選特性較第一頻段略差，后續(xù)應在合成屏數(shù)及通帶設計上進一步開展工作。

3 結(jié)論

根據(jù)彈載諧波雷達體制引信的設計需求，設計了一種共口徑諧波接收及基頻發(fā)射引信天線形式，計算表明，該種形式天線實現(xiàn)了收發(fā)之間的3倍頻諧振特性以及良好的方向圖性能。為進一步改善頻選性能，提高引信的通帶選擇性及抗干擾性能，利用頻率選擇表面技術(shù)，基于耐高溫復合引信天線罩材料，制備了雙頻無線電引信天線罩，測試表明：該天線罩在兩個頻率點實現(xiàn)了窄帶透射性能。