郑小燕，王 程，文瑞虎

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引言

超高速制导炮弹与常规弹药相比弹速较高，弹目交会速度是传统炮弹的两倍以上，过载可达到30 000g以上，而且破片动态飞散主要集中在弹体前方，在相同起爆控制时间条件下，要求引信的探测距离更远、抗过载能力更强和飞行过程抗烧蚀性能更好，所以对天线的质量、体积、结构设计和环境适应性设计提出了更高的要求。

波导天线已广泛应用于无线电探测、机载、导航、气象和通信领域，相比其他种类的天线，具有承受功率高，结构简单紧凑，工作频带宽、低副瓣等特点[1]。但典型的标准波导天线无法满足超高速炮弹极其严格的空间、过载、抗烧蚀、及探测性能等各种条件的要求。现有的弹载无线电引信探测器天线形式有微带天线、振子天线、螺旋天线[2]，其天线与风帽均为独立的分体结构，缺点一是不利于小型化设计，二是在高温烧蚀下，风帽变形会引起天线性能的变化。目前尚未有应用于超高速制导炮弹引信天线的相关报道，超高速制导炮弹采用低阻设计，头部尖细，弹体头部的空间利用相对困难。对引信探测距离，接收灵敏度、和天线增益等指标要求苛刻，如果采用微带面阵天线势必要增加天线直径，对弹体头部设计增加困难。而采用介质波导天线，可以有效利用弹体鼻椎部分来提高天线增益。且由于超高速制导炮弹在高速飞行中头部驻点位置与空气磨擦产生极高的气动热，根据某型高速火箭弹飞行试验测试结果，分体设计的天线风帽经过高速飞行后会在天线风帽底部产生明显的烧蚀变形，对天线的辐射方向图产生影响。本文针对此问题，提出了应用于超高速制导炮弹的介质波导天线。

1 介质波导天线

波在介质杆中传播的相速以及在介质杆外与杆内的导波功率之比，都是杆径的波长数和杆材的介电常数之函数[5]。对于直径D<λ/4的介质杆，只有很少的导波效应和很小部分的能量被限制在杆内[6]；杆内的相速也接近在其周围媒质(自由空间)中的值。然而，当直径达波长量级时，大部分功率被约束在杆内；为了提高定向性，应取均匀介质杆(长Lλ>2而2<ξr<5)的直径之自由空间波长数Dλ [7]为：

(1)

实际使用的聚四氟乙烯杆的直径在圆波导中传输最低(TE11)模，在0.5λ～0.3λ范围内；杆径可以是均匀的，也可以如图1所示锥削以减少副瓣。图中的杆径可以先均匀后锥削，由粗端的0.5λ渐变成远端的0.3λ。图2为这种介质杆的辐射场波瓣图。

按一级近似，沿长度均匀激励的介质杆天线，计算其辐射波瓣图时可假设成各向同性点源连续阵，具有每波长360°×(1+1/2Lλ)相移的等幅分布，其中Lλ是天线总长度的自由空间波长数。该相对场强的波瓣图作为始于轴的角θ之函数为：

(2)

应用谢昆诺夫等效源原理，只要已知介质杆表面的场就能计算辐射场。按此原理，杆表面的场被置换成等效电流片和虚拟磁流片，然后根据这些流源计算辐射场。

介质杆天线的定向性D近似为：

D≈8Lλ

(3)

并且，半功率波束宽度为：

(4)

式(3)、式(4)中，Lλ为杆长度的自由空间波长数。

2 超高速应用的介质波导天线

为了提高天线增益，并且降低风帽烧蚀给天线性能造成的影响，本文采用天线与风帽的一体化结构设计，具体结构如图3所示。

金属圆波导的直径是天线工作中心频率的决定性因素。金属圆波导采用铝金属材料，采用空心圆柱结构，该结构为天线辐射单元的主体。根据天线工作中心频率确定金属圆波导的直径，表1为标准圆波导主要参数表X波段节选，参考参数表选取X波段圆波导半径。为了验证最小尺寸下天线的探测性能，选取金属圆波导半径为7.544 mm左右。

表1 X波段标准圆波导主要参数表

Tab.1 Main parameters of X band standard circular waveguide

波导型号(国际)半径a/mm截止频率/GHzTE11模衰减/(dB/m)TE11TM01TE01频率/GHz理论值 最大值C10410.1228.6811.318.110.420.1220.15C1208.73710.0013.120.912.070.152 4—C1407.54411.615.224.213.980.189 3—

金属圆波导的高度根据波导天线的增益来进行调整，在满足无线电引信整体轮廓尺寸条件下，通过调整波导的高度，完成绝缘子馈电探针的阻抗匹配和天线需要达到的增益要求。通过对金属圆波导的直径进行微调，并进行参数仿真确定天线的中心工作频率。

绝缘子馈电探针离底深度初始值设为1/4λ，通过绝缘子馈电探针对天线辐射单元金属圆波导进行馈电，天线与射频发射链路之间采用绝缘子同轴馈电，在天线中心频率确定后，通过调整绝缘子馈电探针的长度、距离金属圆波导的距离使得射频输入信号与天线辐射单元实现阻抗匹配。

通过式(3)、式(4)和指标要求的频率以及天线的增益来确定介质杆的长度，介质杆顶端的尺寸可以根据指标要求的外形结构设计。介质杆采用锥形结构，渐变锥形结构可以降低天线的副瓣提高天线增益，既做为天线辐射单元的一部分，又有无线电引信风帽的作用，可以作为天线单元的测试结构，也可以直接与射频电路板焊接后进行连调测试。

相对于传统的弹载无线电引信天线与风帽独立的设计结构，这种一体化结构简单紧凑，易于加工，这种天线与风帽的一体化设计结构使天线具有更强的抗高过载性能。将介质杆嵌入金属圆波导中，既可以缩短天线辐射单元长度，提高天线增益，有效降低了发射信号的传输损耗，并可以通过探针馈入金属圆波导腔体内的长度和探针距离波导腔底的高度，调整天线的中心频率并对天线的输入信号驻波比进行优化。

3 仿真实验与结果分析

3.1 仿真优化设计

采用全波电磁仿真软件(HFSS)，对应用于超高速制导炮弹的介质波导天线进行了建模仿真，包括金属圆波导、绝缘子馈电探针和介质杆的设计。根据天线工作中心频率确定金属圆波导的直径，一般取圆波导直径D=λg，其中,λg为波导波长，天线增益与圆波导口直径和圆波导长度成正比，波导口直径越大，波导越长则天线增益越高。受制于弹体外形，波导口直径最大只能等于波导波长λg，因此只能在有限长度条件下调整金属圆波导和介质杆长度比例，以及介质杆介电常数来提高天线的增益。为方便天线测试，满足抗过载要求，将馈电探针设计为0.9 mm，通过调节探针深入圆波导的长度和距离圆波导底部的距离，得到天线的理想工作带宽。为提高天线辐射效率，并兼顾天线辐射单元的尺寸大小，介质杆的设计选用介电常数ξr为2.25的聚四氟乙烯作为天线辐射单元的衬底材料，外形与引信风帽共形同为圆锥形结构。

设计结果如下：金属圆波导直径14 mm，高度34 mm；绝缘子馈电探针直径0.9 mm，长度5.6 mm，距离金属圆波导底部距离4.3 mm；介质杆为下底面半径为9.2 mm，上底面半径为6.8 mm，高度29 mm，弧度为R4 500 mm的锥形结构。绝缘子馈电探针采用同轴结构；金属圆波导采用铝合金为加工材料；介质杆选用聚四氟乙烯。建模仿真如图4所示，根据仿真模型尺寸加工天线，实物如图5所示。

3.2 仿真与实测对比

图6、图7分别为介质波导天线输入端口的S11反射参数的仿真和实测结果。由图可见，仿真和测试结果基本一致，在频率11～12 GHz范围内反射参数均小于-10 dB，实现了天线的宽频带要求。图8、图9分别为介质波导天线的E面方向图的仿真和测试结果，从测试结果可以看出天线最大增益为12.4 dB，半波束宽度为43°，实现了天线的高增益，测试结果与仿真结果基本一致。

3.3 防烧蚀仿真分析

建立天线烧蚀模型如图10所示，与原始模型进行仿真验证对比，结果如图11所示，可见：在采用风帽和天线一体化设计的波导介质天线在烧蚀前后性能基本不变，可满足超高速制导炮弹在防烧蚀方面的需求。

4 结论

本文提出并设计了应用于超高速制导炮弹的介质波导天线，该天线辐射单元主体采用金属圆波导结构，天线与射频发射链路之间采用绝缘子同轴馈电结构，采用天线与无线电引信风帽一体化设计，具有高增益，耐高温腐蚀，结构设计简单、易于加工生产等特点。天线最大处直径14 mm，高度63 mm，工作带宽1.03 GHz，增益12.4 dB。实测结果表明，该介质波导天线不仅适用于超高速制导炮弹对外形尺寸的严格要求，而且在抗烧蚀、及探测性能各种测试条件下工作频带宽，增益高，与仿真结果基本一致，可以应用于超高速制导炮弹的无线电引信探测。

参考文献:

[1]梁毅.一种新型弹载天线[J].电磁场与微波.2014，7：66-68.

[2]薄勇，赵青，宜银良，等.X波段低副瓣波导缝隙阵列天线特性[J].强激光与粒子束.2015，27(5)：177-181.

[3]赵杰.介质加载及复合表面等离子体波导传输特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[4]李志全.介质加载型混合表面等离子体波导的损耗特征[J].红外与激光工程，2015，2：677-681.

[5]叶红霞.介质杆天线的时域特性分析[J].电波科学学报，2003，18(4)：413-417.

[6]李斌.基于复合介质结构的圆波导高增益阵列天线研究[J].电子与信息学报，2007，29(4)：994-997.

[7]John D Kraus. 天线[M].章文勋,译.北京：电子工业出版社.2006.