小型化GPS锥面共形天线阵的研制

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                1  引言

                        在航空器、导弹等高速飞行器上，全球定位系统GPS是不可或缺的组件，它广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。而在GPS系统的研究开发过程中,天线成为必须解决的关键问题之一。这些飞行器要求天线既不影响其空气动力性能，又不破坏其机械结构和强度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能优点的共形天线阵在飞行器上得到广泛应用。
                         
                        目前，对于锥面共形天线阵的研究报道非常多。提出了一种锥面共形天线阵的分析方法，研究了一种毫米波段锥面共形天线阵。对于上述锥面共形天线阵，工作频率较高，尺寸上基本不受限制，相邻单元的弧面间距大于或者接近天线工作频率的半波长。但是在天线尺寸受限的情况下，相邻单元的弧面间距如果小于半波长，单元间的耦合加剧，天线阵的电压驻波比就会急剧恶化，辐射特性也会有剧烈的起伏，极不稳定。所以在GPS频段，天线尺寸受到共形体锥面表面积的限制，天线的小型化成为设计中的核心问题。众所周之，GPS天线是右旋圆极化天线，但是考虑到小型化的要求，为了满足辐射特性，采用线极化天线可以减小3dB的损耗。所以本文设计出了一种采用线极化方式的小型化GPS锥面共形天线阵，在减小天线尺寸的同时提高了天线的性能。
                         
                        2  设计要求

                        天线要求共形安装在如图1所示的锥台上，锥台上底面圆周长约为0.26λ0（λ0为天线中心频率的波长），下底面圆周长约为0.67λ0，锥台母线长H约为0.24λ0，工作频率为f0=1.575GHz，天线辐射的H面方向图要求全向。
                         
                        经分析，由于天线安装面面积极小，天线阵只能采用2单元微带共形结构，阵元弧面间距仅为0.25λ0，远小于天线工作频率的半波长，阵元间耦合强烈，并且天线要求水平全向辐射，这使得天线设计实现小型化，保证中心频率并稳定天线辐射性能成为首要设计要求。
                         
       

               

       

                图1  天线安装锥台示意图

                         
                        3  理论分析与设计

                        本文先利用一般微带天线的设计方法设计天线单元，并对馈电方式进行改进，利用Ansoft HFSS软件对天线单元进行仿真优化设计，大大降低了天线阵的设计复杂度。
                         
                        3.1  天线单元的分析与设计

                        在天线的设计中考虑到安装平台的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介电常数柔性介质基片，介质厚度为h=0.6mm，矩形微带天线的尺寸公式为[5]：
       

                              （1）

       

                               （2）

                        式中f0为天线工作的中心频率，c为光速(3×108m/s) 。而al为微带传输线的等效伸长量，可由下式求得:
       

                                      （3）

                        er为介质基片的有效介电常数，由边缘效应决定，可由下式求得:
       

                      （4）

       

               

       

                图2  天线单元结构示意图

                 
                        考虑到天线需要共形在锥面上，馈线如果太细，那么在实际加工及调试过程中就会比较容易被折断，所以考虑到这些问题，根据微带线特性阻抗设计公式计算，在er=10.2，基片厚度为0.6mm的情况下，输入阻抗为50Ω的馈线宽度为0.6mm;输入阻抗为20Ω的馈线宽度为2.5mm。显然在20Ω时的馈线就比较不容易被折断，所以本文设计单元的输入阻抗为20Ω。
                         
                        通过在天线单元边缘开槽使微带馈线深入单元内部的方法，能够很好的调节单元的阻抗特性，实现天线单元的匹配，并能有效降低单元的尺寸。
                         
                        天线单元的结构示意图如图2所示，其中Wf为单元馈线的宽度，Ws为槽宽度，Ls为槽深。
                         
                        3.2  馈电网络的设计

                        微带天线阵的馈电方式主要包括串馈、并馈、反射阵面馈电等，并联馈电方式中的T型结功分器具有结构简单、占据空间小、容易实现宽频带等突出优点[6]，因此，设计中采用由T型结功分器构成的并联馈电网络，使用等幅同相馈电方式。天线单元的输入阻抗为20Ω，阵列总端口的输入阻抗为50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗变换线，使20Ω与100Ω阻抗相匹配，通过计算得出λ/4阻抗变换传输线的特性阻抗约等于45Ω，宽度为0.7mm。
                         
                        通过馈电网络的有效弯折和总体合理布局可大大减小天线阵的大小，图3给出了天线阵馈电网络示意图。
                         
       

               

       

                图3  天线阵馈电网络示意图

                         
                        4  天线阵实测结果

                        本文根据天线的设计和仿真，研制出小型化GPS锥面共形天线阵的试验样机，并用金属椎体模拟了真实弹头，对研制的天线进行了电特性测量[7]。图4所示的是天线阵样机平面图。
                         
       

               

       

                图4  天线阵样机平面图

                         
                        在微波暗室、远区条件下，用自制的天线远场自动测量系统在f0=1.575GHz时对该天线的E面和H面方向图进行了实测，如图5所示。
                         
       

               

       

                a 天线阵的E面方向图

       

               

       

                b 天线阵的H面方向图

       

                图5  天线的实测方向图

                         
                        从图5a和5b中可以看出，天线阵的E面方向图近似为偏向于共形体底部的一个“8”字形，H面方向图近似全向，满足工程设计要求。
                         
       

               

       

                图6  天线阵实测驻波曲线

       

                 

                        图6所示的是使用HP8753D矢量网络分析仪对天线进行驻波系数(VSWR)测量的结果。由图6可以看出天线阵的驻波系数小于2的带宽为9MHz，在工作频率f0=1.575GHz时，天线阵驻波系数为1.1。
                         
                        5  结束语

                        本文研究了小型化GPS锥面共形天线阵，文中通过调整单元的输入阻抗解决了天线馈线由于过细易折断的问题，并进一步缩小了单元尺寸且在阵元耦合强烈的情况下保证了中心频率，而且稳定了天线的辐射性能，实现了水平全向辐射的工程要求。我们研制出了共形在弹头锥体上的小型化GPS共形天线阵实验样机，并进行了实测，其测量结果研究成果可应用于工程实际，且具有很高的实用价值和推广价值。