無線電遙測是導(dǎo)彈系統(tǒng)測試的重要手段，在導(dǎo)彈的研制和發(fā)射試驗中發(fā)揮著越來越重要的作用。而天線作為遙測系統(tǒng)的重要組成部分，其性能好壞直接影響著整個遙測系統(tǒng)的工作性能。所以人們對遙測天線的要求也越來越高，以盡可能地為評估導(dǎo)彈性能和分析故障提供精確的依據(jù)[1]。導(dǎo)彈在飛行過程中姿態(tài)變化大，運動速度快，天線單元必須采用易于共形的輻射單元。過去常采用的振子天線已無法滿足外形要求。而微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易與載體共形等特點，無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都有很多優(yōu)勢，非常適合在導(dǎo)彈等高速飛行器上應(yīng)用。

    本文結(jié)合實際需求，研究設(shè)計了一種彈載共形微帶天線。該天線與彈體表面共形，不影響彈體的空氣動力學(xué)特性，并對其進行了性能仿真和試驗研究。
1 天線設(shè)計
    本文研究的共形微帶天線，其工作波長及尺寸遠小于所要共形的導(dǎo)彈載體半徑，所以載體表面的曲率對天線單元性能的影響非常小。因此天線單元的設(shè)計可以采用一般平面微帶天線設(shè)計理論和公式。但當貼片單元組成一個天線陣列并與曲面共形時，其反射系數(shù)和方向圖還是會發(fā)生一定的變化，輻射特性也變得復(fù)雜。為了在陣列設(shè)計時計入曲面的影響，使用基于有限積分的“CST Microwave studio”電磁仿真軟件對天線進行仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。
    天線主要技術(shù)指標要求如下：
  （1）天線工作頻率：f0±20 MHz；
  （2）天線駐波比：VSWR≤1.5；
  （3）天線增益：Gain≥8 dBi；
  （4）極化方式：線極化。
1.1 微帶天線單元設(shè)計
    本文采用的微帶天線由接地層、介質(zhì)層、貼片層和防護罩層組成。微帶輻射單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，微帶天線通過饋電方向的兩個邊緣進行輻射，單元阻抗由中到邊緣逐漸變大。采用開槽的形式[2]，把饋線深入貼片天線內(nèi)部，通過調(diào)整饋線插入深度，使饋線與貼片單元達到良好的阻抗匹配。

1.1.1 介質(zhì)基板的確定
    在進行微帶貼片天線單元設(shè)計時，需首先做好介質(zhì)基片材料(介電常數(shù)?著r和介質(zhì)損耗正切角tan?啄)的選擇及厚度h的確定，它們直接影響微帶天線的尺寸、重量、方向性、頻帶等性能[3]。
    值得指出的一點是，在安裝空間受限以及低剖面要求的彈載應(yīng)用場合，增加介質(zhì)基片厚度h可以展寬天線帶寬，但基片厚度過大則會引起表面波的明顯激勵，表面波達到基片邊沿時產(chǎn)生反射散射，導(dǎo)致天線增益下降，交叉極化增大，輻射效率降低。因此要綜合考慮確定。    根據(jù)天線的技術(shù)指標要求，設(shè)計過程中貼片層和接地層都采用厚度t=0.018 mm的銅箔，介質(zhì)層采用介電常數(shù)?著r=6、厚度h=1.0 mm、損耗正切tan?啄≤0.001的微波復(fù)合介質(zhì)。

    
    根據(jù)上述公式，采用所選擇的介質(zhì)基板便可以計算貼片單元的大小。使用基于CST仿真軟件，進行仿真、優(yōu)化得到天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下:貼片寬度17.8 mm,貼片長度13.5 mm，饋線插入深度4.1 mm，饋線寬度1.5 mm。
1.2 微帶 2×2 陣列設(shè)計
　　微帶貼片單元的增益一般只有4 dBi左右。為了獲得更大的增益，或者說是為了實現(xiàn)特定的方向性，通常采用由微帶貼片輻射單元組成的微帶陣列天線[5]。因此，本文在所要求的60 mm×60 mm尺寸范圍內(nèi)，同時又考慮到天線的效率問題，采用了4個輻射單元組成一個2×2的微帶陣。設(shè)計的微帶陣列和功分網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

    微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)主要是保證各陣元所要求的激勵振幅和相位, 以便形成所要求的方向圖, 或者使天線性能某項指標最佳。對饋電網(wǎng)絡(luò)的要求是阻抗匹配、損耗小、結(jié)構(gòu)簡單等。
    根據(jù)以上所述,天線陣采用并聯(lián)等幅同相等功率饋電[6]，饋電網(wǎng)絡(luò)由T型等分功分器組成，功分器采用多節(jié)阻抗匹配枝節(jié)設(shè)計，使調(diào)試簡單方便。整個天線陣采用同軸SMA接頭,為了達到與接頭50 Ω阻抗匹配，還需要利用四分之一阻抗匹配段來調(diào)配天線陣輸入阻抗。


    天線的電壓駐波比采用標量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8757C測量，測量結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)是仿真得到的駐波曲線，圖4(b)是測量得到的駐波曲線。
　 從圖4可以看出，天線在±20 MHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比都小于1.5,滿足天線設(shè)計要求。實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,但是實測結(jié)果中諧振點稍微往高頻偏移，兩者存在的偏差主要是由天線的加工誤差、測量誤差、接頭焊接誤差和仿真計算誤差所引起的。

圖5 測試結(jié)果

    最后在微波暗室通過天線測試系統(tǒng)對天線的輻射方向圖和增益進行了測試，測試結(jié)果如圖5所示。
　 圖5(a)給出了天線陣在中心頻率處仿真與實測的H面遠場方向圖，圖5(b)給出了仿真與實測的E面方向圖。
    圖5中實線代表仿真值，虛線代表實測值。可以清楚地看到，實測方向圖與仿真方向圖吻合良好。H面方向圖對稱性較好，而E面的方向圖稍顯不對稱，這是由于整個天線的饋電點同軸SMA接頭不在正中心位置，對于E面是不對稱的。
   采用標準增益天線比較法測試得到天線在中心頻率的增益為8.4 dBi,而仿真得到的增益為8.9 dBi，該天線增益的實測值與仿真值也是大致接近的，稍有偏差是由于在仿真建立模型時，微波介質(zhì)損耗因子的設(shè)置比實際的要小，而介質(zhì)損耗大必然使輻射效率降低，從而使增益降低。
    綜合運用單層微帶貼片結(jié)構(gòu)和T型功分器饋電技術(shù)，并結(jié)合高頻電磁仿真軟件CST設(shè)計了一個四元彈載共形微帶天線陣。設(shè)計的天線陣體積小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便。實測天線陣在±20 MHz的頻帶內(nèi)駐波比均小于1.5，最大增益8.4 dBi，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該天線陣電性能和輻射特性良好，可以滿足遙測天線的使用需求。
參考文獻
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