弹丸前端抗高过载北斗接收天线设计

弹丸前端抗高过载北斗接收天线设计

0全弹性机定位系统随着中国北斗卫星网络系统在各种平台上的应用，弹头发射天线作为北斗接收系统的重要组成部分，其天线指标的优缺点直接影响到北洋接收系统的性能。由于多种榴弹平台发射过载很高，并且对弹载北斗天线的尺寸和安装位置作了特殊要求，为了满足北斗接收系统在弹丸飞行时北斗定位系统能快速捕获到微弱的卫星信号和全弹道精准定位，给弹载计算机有效提供全弹道实时位置、速度信息，要求弹载北斗接收天线抗高过载同时方向图在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐射，辅助实现全弹道北斗定位。目前很多研究者提出了多种弹载天线的设计方案本文针对弹载卫星接收天线小型化、方向图覆盖及抗高过载的综合性问题，提出了弹丸前端抗高过载北斗接收天线。1对称振子天线两臂长度相等的振子叫做对称振子，每臂长度为四分之一波长，全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。对称振子天线由两根同样粗细、同样长度的直导线构成，在中间的两个端点馈电。每根导线的长度为1.1带振子单元的信号分析印刷振子的基本结构包括辐射臂和馈电电路，这两部分变形后的适当组合就成了各种不同类型伞形印刷振子天线。典型伞形振子天线如图1所示，它由接地板、短路耦合线、开路传输线和微带振子单元组成，形成的天线方向图为定向辐射，如图2所示。如图1所示，开路微带巴伦传输线在介质基板的正面，微带伞形印刷振子臂在背面，信号由微带巴伦的底部馈入，通过短路耦合线平衡耦合到两个印刷振子单元上。天线的每个印刷振子单元的几何长度(1)(2)式(1)、式(2)中，弹载北斗卫星接收天线要求天线方向图在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐射。由于典型伞形振子天线定向辐射的方向图特性不适应弹载北斗卫星接收天线要求，本文拟改变典型印刷振子天线的馈电电路实现天线方向图全向辐射的特性。2天线模型和参数设计2.1天线的安装结构弹载北斗卫星接收天线要求在弹丸头部锥形有限小空间为引信弹道信息测量装置提供一种安装工艺简单且相位中心高度稳定的小型北斗单片接收天线。天线结构包括天线基板和圆柱形天线底座，天线基板的下底边固连在圆柱形天线底座上端面的定位槽中，且天线基板的中轴线本文设计的弹载北斗接收天线安装形式如图3所示，由微带振子天线和金属底板组成，安装在弹体头部。为了使天线在有限空间具有相对较长的电长度满足小尺寸要求，借鉴经典伞形振子天线形式，依据天线曲流技术将微带对称振子折叠与水平振子形成夹角，折叠后的振子天线两臂可以缩小天线横向尺寸，满足安装空间要求，实现天线的小型化。该天线基板的外形是梯形，梯形上底边长10mm,下底边长28mm,高29mm,天线形状如图4所示。2.2平衡馈电结构为了满足弹载北斗卫星接收天线方向图全向辐射要求，将典型印刷振子天线在介质基板的正面的四分之一波长开路微带传输线的馈电电路改为和背面印刷振子天线直接耦合的具有辐射能力的开路对称振子馈电结构，改变天线辐射的最大电场方向，形成天线全向辐射的特性。对称微带振子馈电结构如图5所示的K3。为了缩小天线尺寸，本文把平衡馈电线中的耦合传输线设计成如图5中K1相对宽的传输线，馈电阻抗匹配线P1位于宽传输线中心位置。同时在介质背面的对称振子天线内侧通过开槽形成加载，进一步缩减天线尺寸，缝隙加载形式如图6所示的K5。图5所示介质正面印刷振子耦合馈电结构包括第一对称开路传输馈电振子线K3,第一辅助馈电线K2,耦合馈电总线K1,阻抗匹配线P1,第一、第二辅助接地线G1、G2。图6所示介质反面振子天线加载缝隙微带线包括第二对称振子天线K4,缝隙加载短路耦合线K5和K6,两对称臂之间的缝隙距离为2.3天线参数调整从天线辐射效率和加载的角度考虑，微带振子的宽度应选择宽些，而天线加载的设计是一个非线性的问题，为了保持天线加载前和加载后的辐射特性基本不变，加载的位置应尽量避开辐射点或辐射边的位置。基于弹载北斗卫星接收天线的使用环境，用介电常数4.4的材料为天线基板，介质厚度调整振子天线长度能改变天线频率，调整微带振子的宽度以及缝隙加载深度，可以优化天线尺寸和达到阻抗匹配，有效降低驻波比。天线参数调整是一个多变量复杂问题，本文借助计算机模拟和最优化技术寻求天线参数的最优解。设计中先固定一部分量，求得较佳值后逐步调整固定量，使天线性能指标趋于优化，表1给出了天线结构尺寸优化数值。3天线模拟和测试验证3.1天线模型与仿真弹载北斗卫星接收天线形状为梯形且梯度与引信风帽的锥度一致，天线基板的下底边固连在圆柱形天线底座上端面的定位槽中，且天线基板的中轴线利用HFSS软件，对弹载北斗接收天线进行了建模与仿真设计，建立的天线模型为含金属弹体的弹载北斗接收天线仿真分析模型图，如图7所示。利用HFSS对天线进行建模与仿真参数优化后，得到天线辐射方向图与电压驻波比仿真图。图8为天线三维方向图仿真结果，实现了全向辐射特点；图9为天线电压驻波比仿真结果。由图9可知在中心频率1268MHz处电压驻波比为1.062,在1268MHz±46MHz的频率范围内，电压驻波比小于等于2。从仿真的结果来看，该弹载北斗接收天线在中心频率为3.2天线参数测试弹载北斗接收天线在实验室进行了测试验证，图10为天线电压驻波比测试结果。由图10可知在中心频率1268MHz处电压驻波比为1.141,在1175～1494MHz的频率范围内电压驻波比≤2。研制的弹载北斗接收天线测试结果与设计基本吻合，实际测试阻抗带宽约为300MHz,其相对带宽达到23.6%。图11为弹载北斗接收天线暗室测试场景图，图12和图13为暗室测试的方向图。图12为弹载北斗接收天线H面实测方向图，图中增益数值对应的最大增益相对值为12.4,最小增益相对值为11;天线H面增益不平坦度小于1.5dB,H面基本为圆形。图13为弹载北斗接收天线E面实测方向图，近似为“∞”字形辐射特征。通过与标准天线对比，测试中心频率处的最大增益为1.52dB。从测试结果可知，设计的弹载北斗接收天线的方向图满足在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐射特点。3.3弹载质量试验样机通过炮射北斗定位存储试验，回收弹载北斗卫星信号信噪比如图14所示，图中横坐标为时间，纵坐标为弹载北斗卫星信号信噪比。从图14可知：弹载北斗卫星信号在弹丸发射3s内7星定位，北斗卫星信号信噪比均大于40,且全弹道卫星信号信噪比稳定定位。试验数据表明弹载北斗天线性能满足快速捕获定位和全弹道卫星精准定位。外场试验表明，弹载北斗接收天线在承受高过载的发射条件下满足辅助卫星定位产品快速卫星定位，全弹道北斗卫星定位性能优良，可为弹载计算机有效提供全弹道精准的位置、速度信息。4高加载本底道口本底图本文提出了弹丸前端抗高过载北斗接收天线。该天线基于微带振子天线原理，利用天线曲流技术将天线振子折线形成伞形微带振子，同时在天线背面的振子天线内侧通过开槽形成电容加载，缩小了天线尺寸，并采用对称微带振子馈电结构实现了天线方向图在赤道面为圆形，子午面为“∞”字形的全向辐