一种弹载宽带圆极化天线阵设计

张 彬 ，许家栋 ，付 鹏 ，周 冲 ，石 帅

（1.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710129；2.西北工业大学 航空学院，陕西 西安710072）

随着电子对抗技术的发展，天线已经越来越多地被装载在火箭、导弹等载体上。对于弹载天线而言，由于导弹在飞行过程中的姿态是变化的，为了能有效接收或发射电磁能量，弹载天线最好具有圆极化特性。圆极化天线能接收到任意方向的线极化波，且有较强的抗雨雾干扰能力[1]，在无线通信领域有着广泛的应用。

弹载天线必须具备体积小、重量轻、机械强度好、易于共形且不影响载体的气动性能等特点。常用的弹载天线包括振子天线、缝隙天线、螺旋天线、波导天线、微带天线等[2]。设计时具体选用哪一种天线形式，要综合考虑天线的尺寸、电特性、安装位置、能否与载体共形等因素。文献[3]提出了一种与导弹横截面共形的圆极化微带天线，通过开槽、简并模分离等技术实现了小型化和圆极化，主辐射方向指向导弹正前方，但这种结构的天线只适合装载在弹体头部位置。很多时候需要把天线装载在弹体侧面。文献[4]设计了一种安装在弹体侧面的微带螺旋天线，主辐射方向垂直于弹体轴线，但不易与载体共形。文献[5]设计了一个高增益的弹载平面八木天线，由于采用了16个引向器，使得天线尺寸很大，不便于安装。

为了设计出尺寸小、能装载在弹体侧面、主辐射方向指向导弹正前方且易与载体共形的弹载天线，本文对文献[5]的八木天线作了改进。利用镜像原理使得天线尺寸减小一半，对天线结构进行优化，解决了馈电问题，并以此为阵元，采用文献[6]介绍的顺序旋转布阵法，通过控制天线单元馈电端口的相位，设计了一个具有宽带圆极化特性的印刷八木天线阵。

1 天线阵结构设计

印刷八木天线阵结构如图1(a)所示。该阵列由4个印刷八木天线单元组成，安装在弹尾四周。印刷八木天线单元的极化方向与振子方向一致，辐射线极化波。一个圆极化波可以分解成两个在空间和时间上均正交的等幅线极化波，因此，要实现圆极化特性，只需产生两个在空间上正交的线极化电场分量并使二者振幅相等且相位差为90°。在本文的设计中，为了不破坏导弹的气动性能和保证方向图的对称性，采用旋转对称的4元阵结构，并通过控制天线馈电端口的相对相位，使之依次为 0°、90°、180°和 270°，实现圆极化。 馈电网络由一个宽带反相器与两个宽带90°移相器级联而成，其原理图如图1(b)所示。

图1 印刷八木天线阵Fig.1 Printed Yagi antenna array

2 印刷八木天线单元设计

采用印刷八木天线作为基本单元，是因为该天线结构简单，可以装载在弹体侧面，易于与导弹尾翼共形，且为端射天线。其结构如图1(c)所示。该种天线于1928年首次被提出[7]，结构上具有对称性。根据镜像原理可知，图1(c)所示两个印刷八木天线的在右半空间产生的辐射场是相等的。本文用铝管模拟导弹壳体，由于铝管直径相对于天线介质基板厚度很大，可用来代替无限大接地导体。从而，所需设计的印刷八木天线为原天线结构的一半，如图1(d)所示。可见，该天线单元由有源振子、引向器、反射器、介质板、镜像地等几个部分组成。引向器和反向器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。由于引向器和反射器很难焊接到铝管上，为了保证镜像的完整，我们在铝管（导弹）上开槽，天线通过槽与紧贴在铝管内壁的镜像地（铜片）焊接到一起。天线用SMA接头直接馈电，接头的外导体与镜像地连接，内导体穿过镜像地上的通孔与有源振子连接。

用铝管模拟导弹，导弹长度H=210 mm，外径D=80 mm，壁厚为2 mm。采用介电常数εr为4.4的普通FR-4板材，厚度为1 mm。应用电磁仿真软件HFSS13.0建立天线模型，对其各个参数进行优化，得到一组最佳尺寸，如表1所示。基于以上软件仿真结果，制作了天线实物并对其性能进行了测量，实物如图2所示。印刷八木天线阵的4个馈电端口与馈电网络的4个输出端口之间通过4根等相位（同轴）线相连。

图2 天线阵实物图Fig.2 Photo of the fabricated antenna

表1 天线尺寸（单位：mm)Tab.1 Size of the antenna mm

3 仿真与实测结果分析

图3(a)为天线阵的回波损耗S11曲线。天线的S11小于-10 dB的频段覆盖了整个X波段，相对带宽达40%以上，实际测量结果与仿真结果吻合较好。图3(b)为天线阵的增益曲线。在8～12 GHz频段内，仿真增益在4～6 dB之间，测试增益在4.5 dB上下波动，整体上比仿真结果要小。图3(c)为主辐射方向上的轴比随频率的变化。由于天线结构对称，仿真轴比在整个X波段内都很小，约为0.2dB，呈现很好的圆极化特性。测试轴比曲线波动较大，在8.3～8.7 GHz频段内为大于3 dB，在X波段其余频带内都小于3 dB。图3(d)为10 GHz处主平面内的极化轴比。由该图可知，在主平面的不同角度内，轴比不相同。在主瓣范围内，测试结果与仿真结果相一致。在Theta=0°的主辐射方向，轴比为0.8 dB。在偏离主辐射方向±4°的扫描角范围内，轴比小于3 dB，满足圆极化设计要求。

图3 天线阵回波损耗、增益和轴比的仿真与测试结果Fig.3 Simulated and measured return loss,gain and axial ratio of the antenna array

图 4(a)、(b)和(c)为天线阵在 8 GHz、10 GHz 和 12 GHz处的归一化辐射方向图。可见，方向图呈现花瓣状，测试方向图与仿真方向图有较好的一致性。在两个相互垂直的主平面内的方向图基本重合，且有较好的对称性。主辐射方向指向导弹正前方。随着频率增大，天线主瓣宽度逐渐变窄。在8 GHz处，3 dB 波瓣宽度为±8°；在 12 GHz处，3 dB 波瓣宽度为±4°。栅瓣电平比较大，在高频时甚至比主瓣电平还高。过高的栅瓣电平，不仅会使辐射能量分散，增益下降，还会造成对目标定位、测向等的错误判断，应当给予抑制。在本文的设计中，会出现窄的主瓣和高的栅瓣，主要受天线结构限制。在本文的设计中，印刷八木天线单元装载在导弹四周，导弹直径为80 mm，X波段中心频率10 GHz处的波长λ为30 mm，单元天线间距为2.6λ，根据阵列天线理论，阵元间距d过大，会使得副瓣电平升高，主瓣宽度变窄。鉴于该天线阵较窄的角域覆盖能力，为了有效接收或辐射电磁能量，对导弹的发射精度有较高的要求。

由上述分析可知，该天线阵的回波损耗S11、方向图等参数的实测结果与仿真结果基本吻合，但实测增益比仿真增益略低，实测轴比会恶化，这主要由以下几个方面的因素引起。第一，天线阵各部件加工、组装误差。制作实物时，镜像地无法像仿真模型中一样跟铝管紧密贴合，影响地电流的连续性[8]。印刷八木天线单元安装在铝管开的槽中，只能通过目测定位，导致结构上略有不对称。第二，测试时采用购买来的功分器（如图2所示）给各单元天线馈电，功分器性能不理想对天线参数影响很大，特别是增益和轴比。功分器插入损耗偏大，导致测量增益降低；另外，功分器4个输出端口输出信号幅度不相等，或相位偏离 0°、90°、180°和 270°的相对关系，则会影响天线阵的圆极化性能（轴比恶化）。第三，等相位线引入误差。测量时，天线阵各阵元馈电端口与功分器输出端口之间是用四根长度相等（等相位）的同轴线连接的。连接时，同轴线被弯折，损耗和相移发生变化，影响轴比。第四，测试误差。在本文的设计中，采用Agilent公司的E8363B矢量网络分析仪测量天线阵回波损耗S11，利用微波暗室测量辐射方向图，受测试环境和测试方法影响，不可避免地会引入误差。

图4 天线阵方向图仿真与测试结果Fig.4 Simulated and measured radiation pattern of the antenna array

4 结论

本文设计了一种弹载印刷八木天线阵，可工作于X波段，具有尺寸小、重量轻、能安装在弹体侧面与导弹尾翼共形等优点。对天线的测试结果和仿真结果进行了比较分析。该天线在整个X波段内回波损耗均小于-10 dB，相对带宽达40%以上；主辐射方向指向导弹正前方，3 dB波瓣宽度为±4°，平均增益达4.5 dB；主辐射方向极化轴比为 0.8dB，在±4°天线扫描空间内，轴比小于3 dB，满足圆极化设计要求。基于以上优点，该弹载宽带圆极化天线阵在电子对抗领域具有良好的应用前景。

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