小型化GPS錐面共形天線陣的研制

考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細(xì)，那么在實際加工及調(diào)試過程中就會比較容易被折斷，所以考慮到這些問題，根據(jù)微帶線特性阻抗設(shè)計公式計算，在er=10.2，基片厚度為0.6mm的情況下，輸入阻抗為50Ω的饋線寬度為0.6mm;輸入阻抗為20Ω的饋線寬度為2.5mm。顯然在20Ω時的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設(shè)計單元的輸入阻抗為20Ω。

通過在天線單元邊緣開槽使微帶饋線深入單元內(nèi)部的方法，能夠很好的調(diào)節(jié)單元的阻抗特性，實現(xiàn)天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。

天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中Wf為單元饋線的寬度，Ws為槽寬度，Ls為槽深。

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

微帶天線陣的饋電方式主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電等，并聯(lián)饋電方式中的T型結(jié)功分器具有結(jié)構(gòu)簡單、占據(jù)空間小、容易實現(xiàn)寬頻帶等突出優(yōu)點^[6]，因此，設(shè)計中采用由T型結(jié)功分器構(gòu)成的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，使用等幅同相饋電方式。天線單元的輸入阻抗為20Ω，陣列總端口的輸入阻抗為50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗變換線，使20Ω與100Ω阻抗相匹配，通過計算得出λ/4阻抗變換傳輸線的特性阻抗約等于45Ω，寬度為0.7mm。

通過饋電網(wǎng)絡(luò)的有效彎折和總體合理布局可大大減小天線陣的大小，圖3給出了天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖3 天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 天線陣實測結(jié)果

本文根據(jù)天線的設(shè)計和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗樣機(jī)，并用金屬椎體模擬了真實彈頭，對研制的天線進(jìn)行了電特性測量^[7]。圖4所示的是天線陣樣機(jī)平面圖。

圖4 天線陣樣機(jī)平面圖

在微波暗室、遠(yuǎn)區(qū)條件下，用自制的天線遠(yuǎn)場自動測量系統(tǒng)在f0=1.575GHz時對該天線的E面和H面方向圖進(jìn)行了實測，如圖5所示。

a 天線陣的E面方向圖

b 天線陣的H面方向圖

圖5 天線的實測方向圖

從圖5a和5b中可以看出，天線陣的E面方向圖近似為偏向于共形體底部的一個“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設(shè)計要求。

圖6 天線陣實測駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行駐波系數(shù)(VSWR)測量的結(jié)果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數(shù)小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時，天線陣駐波系數(shù)為1.1。

5 結(jié)束語

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過調(diào)整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過細(xì)易折斷的問題，并進(jìn)一步縮小了單元尺寸且在陣元耦合強烈的情況下保證了中心頻率，而且穩(wěn)定了天線的輻射性能，實現(xiàn)了水平全向輻射的工程要求。我們研制出了共形在彈頭錐體上的小型化GPS共形天線陣實驗樣機(jī)，并進(jìn)行了實測，其測量結(jié)果研究成果可應(yīng)用于工程實際，且具有很高的實用價值和推廣價值。