在航空器、導彈等高速飛行器上，全球定位系統GPS是不可或缺的組件，它廣泛應用于導航、測繪、監測、授時、通信等多種領域。而在GPS系統的研究開發過程中,天線成為必須解決的關鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動力性能，又不破壞其機械結構和強度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優點的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應用。

目前，對于錐面共形天線陣的研究報道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會急劇惡化，輻射特性也會有劇烈的起伏，極不穩定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設計中的核心問題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設計出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時提高了天線的性能。

2  設計要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺上，錐臺上底面圓周長約為0.26λ₀（λ₀為天線中心頻率的波長），下底面圓周長約為0.67λ₀，錐臺母線長H約為0.24λ₀，工作頻率為_f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結構，陣元弧面間距僅為0.25λ₀，遠小于天線工作頻率的半波長，陣元間耦合強烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設計實現小型化，保證中心頻率并穩定天線輻射性能成為首要設計要求。

圖1  天線安裝錐臺示意圖

3  理論分析與設計

本文先利用一般微帶天線的設計方法設計天線單元，并對饋電方式進行改進，利用Ansoft HFSS軟件對天線單元進行仿真優化設計，大大降低了天線陣的設計復雜度。

3.1  天線單元的分析與設計

在天線的設計中考慮到安裝平臺的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數柔性介質基片，介質厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為^[5]：

              （1）

               （2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×10⁸m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長量，可由下式求得:

                      （3）

er為介質基片的有效介電常數，由邊緣效應決定，可由下式求得:

      （4）

圖2  天線單元結構示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細，那么在實際加工及調試過程中就會比較容易被折斷，所以考慮到這些問題，根據微帶線特性阻抗設計公式計算，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部的方法，能夠很好的調節單元的阻抗特性，實現天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。 天線單元的結構示意圖如圖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  饋電網絡的設計

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，并聯饋電方式中的T型結功分器具有結構簡單、占據空間小、容易實現寬頻帶等突出優點^[6]，因此，設計中采用由T型結功分器構成的并聯饋電網絡，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。

通過饋電網絡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絡示意圖。

圖3  天線陣饋電網絡示意圖

4  天線陣實測結果

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

圖4  天線陣樣機平面圖

在微波暗室、遠區條件下，用自制的天線遠場自動測量系統在f0=1.575GHz時對該天線的E面和H面方向圖進行了實測，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矢量網絡分析儀對天線進行駐波系數(VSWR)測量的結果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時，天線陣駐波系數為1.1。

5  結束語

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過調整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過細易折斷的問題，并進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，而且穩定了天線的輻射性能，實現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，并進行了實測，其測量結果研究成果可應用于工程實際，且具有很高的實用價值和推廣價值。

作者：吳強 張福順 馮昕罡 焦磊 薛欣