彈丸前端抗高過載北斗接收天線設(shè)計(jì)

彈丸前端抗高過載北斗接收天線設(shè)計(jì)

0全彈性機(jī)定位系統(tǒng)隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各種平臺(tái)上的應(yīng)用，彈頭發(fā)射天線作為北斗接收系統(tǒng)的重要組成部分，其天線指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)直接影響到北洋接收系統(tǒng)的性能。由于多種榴彈平臺(tái)發(fā)射過載很高，并且對(duì)彈載北斗天線的尺寸和安裝位置作了特殊要求，為了滿足北斗接收系統(tǒng)在彈丸飛行時(shí)北斗定位系統(tǒng)能快速捕獲到微弱的衛(wèi)星信號(hào)和全彈道精準(zhǔn)定位，給彈載計(jì)算機(jī)有效提供全彈道實(shí)時(shí)位置、速度信息，要求彈載北斗接收天線抗高過載同時(shí)方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射，輔助實(shí)現(xiàn)全彈道北斗定位。目前很多研究者提出了多種彈載天線的設(shè)計(jì)方案本文針對(duì)彈載衛(wèi)星接收天線小型化、方向圖覆蓋及抗高過載的綜合性問題，提出了彈丸前端抗高過載北斗接收天線。1對(duì)稱振子天線兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子，每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子。對(duì)稱振子天線由兩根同樣粗細(xì)、同樣長(zhǎng)度的直導(dǎo)線構(gòu)成，在中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋電。每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度為1.1帶振子單元的信號(hào)分析印刷振子的基本結(jié)構(gòu)包括輻射臂和饋電電路，這兩部分變形后的適當(dāng)組合就成了各種不同類型傘形印刷振子天線。典型傘形振子天線如圖1所示，它由接地板、短路耦合線、開路傳輸線和微帶振子單元組成，形成的天線方向圖為定向輻射，如圖2所示。如圖1所示，開路微帶巴倫傳輸線在介質(zhì)基板的正面，微帶傘形印刷振子臂在背面，信號(hào)由微帶巴倫的底部饋入，通過短路耦合線平衡耦合到兩個(gè)印刷振子單元上。天線的每個(gè)印刷振子單元的幾何長(zhǎng)度(1)(2)式(1)、式(2)中，彈載北斗衛(wèi)星接收天線要求天線方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射。由于典型傘形振子天線定向輻射的方向圖特性不適應(yīng)彈載北斗衛(wèi)星接收天線要求，本文擬改變典型印刷振子天線的饋電電路實(shí)現(xiàn)天線方向圖全向輻射的特性。2天線模型和參數(shù)設(shè)計(jì)2.1天線的安裝結(jié)構(gòu)彈載北斗衛(wèi)星接收天線要求在彈丸頭部錐形有限小空間為引信彈道信息測(cè)量裝置提供一種安裝工藝簡(jiǎn)單且相位中心高度穩(wěn)定的小型北斗單片接收天線。天線結(jié)構(gòu)包括天線基板和圓柱形天線底座，天線基板的下底邊固連在圓柱形天線底座上端面的定位槽中，且天線基板的中軸線本文設(shè)計(jì)的彈載北斗接收天線安裝形式如圖3所示，由微帶振子天線和金屬底板組成，安裝在彈體頭部。為了使天線在有限空間具有相對(duì)較長(zhǎng)的電長(zhǎng)度滿足小尺寸要求，借鑒經(jīng)典傘形振子天線形式，依據(jù)天線曲流技術(shù)將微帶對(duì)稱振子折疊與水平振子形成夾角，折疊后的振子天線兩臂可以縮小天線橫向尺寸，滿足安裝空間要求，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。該天線基板的外形是梯形，梯形上底邊長(zhǎng)10mm,下底邊長(zhǎng)28mm,高29mm,天線形狀如圖4所示。2.2平衡饋電結(jié)構(gòu)為了滿足彈載北斗衛(wèi)星接收天線方向圖全向輻射要求，將典型印刷振子天線在介質(zhì)基板的正面的四分之一波長(zhǎng)開路微帶傳輸線的饋電電路改為和背面印刷振子天線直接耦合的具有輻射能力的開路對(duì)稱振子饋電結(jié)構(gòu)，改變天線輻射的最大電場(chǎng)方向，形成天線全向輻射的特性。對(duì)稱微帶振子饋電結(jié)構(gòu)如圖5所示的K3。為了縮小天線尺寸，本文把平衡饋電線中的耦合傳輸線設(shè)計(jì)成如圖5中K1相對(duì)寬的傳輸線，饋電阻抗匹配線P1位于寬傳輸線中心位置。同時(shí)在介質(zhì)背面的對(duì)稱振子天線內(nèi)側(cè)通過開槽形成加載，進(jìn)一步縮減天線尺寸，縫隙加載形式如圖6所示的K5。圖5所示介質(zhì)正面印刷振子耦合饋電結(jié)構(gòu)包括第一對(duì)稱開路傳輸饋電振子線K3,第一輔助饋電線K2,耦合饋電總線K1,阻抗匹配線P1,第一、第二輔助接地線G1、G2。圖6所示介質(zhì)反面振子天線加載縫隙微帶線包括第二對(duì)稱振子天線K4,縫隙加載短路耦合線K5和K6,兩對(duì)稱臂之間的縫隙距離為2.3天線參數(shù)調(diào)整從天線輻射效率和加載的角度考慮，微帶振子的寬度應(yīng)選擇寬些，而天線加載的設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的問題，為了保持天線加載前和加載后的輻射特性基本不變，加載的位置應(yīng)盡量避開輻射點(diǎn)或輻射邊的位置?；趶椵d北斗衛(wèi)星接收天線的使用環(huán)境，用介電常數(shù)4.4的材料為天線基板，介質(zhì)厚度調(diào)整振子天線長(zhǎng)度能改變天線頻率，調(diào)整微帶振子的寬度以及縫隙加載深度，可以優(yōu)化天線尺寸和達(dá)到阻抗匹配，有效降低駐波比。天線參數(shù)調(diào)整是一個(gè)多變量復(fù)雜問題，本文借助計(jì)算機(jī)模擬和最優(yōu)化技術(shù)尋求天線參數(shù)的最優(yōu)解。設(shè)計(jì)中先固定一部分量，求得較佳值后逐步調(diào)整固定量，使天線性能指標(biāo)趨于優(yōu)化，表1給出了天線結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化數(shù)值。3天線模擬和測(cè)試驗(yàn)證3.1天線模型與仿真彈載北斗衛(wèi)星接收天線形狀為梯形且梯度與引信風(fēng)帽的錐度一致，天線基板的下底邊固連在圓柱形天線底座上端面的定位槽中，且天線基板的中軸線利用HFSS軟件，對(duì)彈載北斗接收天線進(jìn)行了建模與仿真設(shè)計(jì)，建立的天線模型為含金屬彈體的彈載北斗接收天線仿真分析模型圖，如圖7所示。利用HFSS對(duì)天線進(jìn)行建模與仿真參數(shù)優(yōu)化后，得到天線輻射方向圖與電壓駐波比仿真圖。圖8為天線三維方向圖仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了全向輻射特點(diǎn)；圖9為天線電壓駐波比仿真結(jié)果。由圖9可知在中心頻率1268MHz處電壓駐波比為1.062,在1268MHz±46MHz的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比小于等于2。從仿真的結(jié)果來看，該彈載北斗接收天線在中心頻率為3.2天線參數(shù)測(cè)試彈載北斗接收天線在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，圖10為天線電壓駐波比測(cè)試結(jié)果。由圖10可知在中心頻率1268MHz處電壓駐波比為1.141,在1175～1494MHz的頻率范圍內(nèi)電壓駐波比≤2。研制的彈載北斗接收天線測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)基本吻合，實(shí)際測(cè)試阻抗帶寬約為300MHz,其相對(duì)帶寬達(dá)到23.6%。圖11為彈載北斗接收天線暗室測(cè)試場(chǎng)景圖，圖12和圖13為暗室測(cè)試的方向圖。圖12為彈載北斗接收天線H面實(shí)測(cè)方向圖，圖中增益數(shù)值對(duì)應(yīng)的最大增益相對(duì)值為12.4,最小增益相對(duì)值為11;天線H面增益不平坦度小于1.5dB,H面基本為圓形。圖13為彈載北斗接收天線E面實(shí)測(cè)方向圖，近似為“∞”字形輻射特征。通過與標(biāo)準(zhǔn)天線對(duì)比，測(cè)試中心頻率處的最大增益為1.52dB。從測(cè)試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的彈載北斗接收天線的方向圖滿足在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻射特點(diǎn)。3.3彈載質(zhì)量試驗(yàn)樣機(jī)通過炮射北斗定位存儲(chǔ)試驗(yàn)，回收彈載北斗衛(wèi)星信號(hào)信噪比如圖14所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為彈載北斗衛(wèi)星信號(hào)信噪比。從圖14可知：彈載北斗衛(wèi)星信號(hào)在彈丸發(fā)射3s內(nèi)7星定位，北斗衛(wèi)星信號(hào)信噪比均大于40,且全彈道衛(wèi)星信號(hào)信噪比穩(wěn)定定位。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明彈載北斗天線性能滿足快速捕獲定位和全彈道衛(wèi)星精準(zhǔn)定位。外場(chǎng)試驗(yàn)表明，彈載北斗接收天線在承受高過載的發(fā)射條件下滿足輔助衛(wèi)星定位產(chǎn)品快速衛(wèi)星定位，全彈道北斗衛(wèi)星定位性能優(yōu)良，可為彈載計(jì)算機(jī)有效提供全彈道精準(zhǔn)的位置、速度信息。4高加載本底道口本底圖本文提出了彈丸前端抗高過載北斗接收天線。該天線基于微帶振子天線原理，利用天線曲流技術(shù)將天線振子折線形成傘形微帶振子，同時(shí)在天線背面的振子天線內(nèi)側(cè)通過開槽形成電容加載，縮小了天線尺寸，并采用對(duì)稱微帶振子饋電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了天線方向圖在赤道面為圓形，子午面為“∞”字形的全向輻