在航空器、導(dǎo)彈等高速飛行器上，全球定位系統(tǒng)GPS是不可或缺的組件，它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、監(jiān)測(cè)、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。而在GPS系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中,天線成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動(dòng)力性能，又不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優(yōu)點(diǎn)的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應(yīng)用。

目前，對(duì)于錐面共形天線陣的研究報(bào)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(duì)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(zhǎng)。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(zhǎng)，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會(huì)急劇惡化，輻射特性也會(huì)有劇烈的起伏，極不穩(wěn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)提高了天線的性能。

2  設(shè)計(jì)要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺(tái)上，錐臺(tái)上底面圓周長(zhǎng)約為0.26λ₀（λ₀為天線中心頻率的波長(zhǎng)），下底面圓周長(zhǎng)約為0.67λ₀，錐臺(tái)母線長(zhǎng)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(jīng)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(jié)構(gòu)，陣元弧面間距僅為0.25λ₀，遠(yuǎn)小于天線工作頻率的半波長(zhǎng)，陣元間耦合強(qiáng)烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化，保證中心頻率并穩(wěn)定天線輻射性能成為首要設(shè)計(jì)要求。

圖1  天線安裝錐臺(tái)示意圖

3  理論分析與設(shè)計(jì)

本文先利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元，并對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3.1  天線單元的分析與設(shè)計(jì)

在天線的設(shè)計(jì)中考慮到安裝平臺(tái)的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數(shù)柔性介質(zhì)基片，介質(zhì)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(zhǎng)量，可由下式求得:

                      （3）

er為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)決定，可由下式求得:

      （4）

圖2  天線單元結(jié)構(gòu)示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細(xì)，那么在實(shí)際加工及調(diào)試過程中就會(huì)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(jì)公式計(jì)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(shí)的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)

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(jiǎn)單、占據(jù)空間小、容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶等突出優(yōu)點(diǎn)^[6]，因此，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)測(cè)結(jié)果

本文根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗(yàn)樣機(jī)，并用金屬椎體模擬了真實(shí)彈頭，對(duì)研制的天線進(jìn)行了電特性測(cè)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(chǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在f0=1.575GHz時(shí)對(duì)該天線的E面和H面方向圖進(jìn)行了實(shí)測(cè)，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(shí)測(cè)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(gè)“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖6  天線陣實(shí)測(cè)駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行駐波系數(shù)(VSWR)測(cè)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(shí)，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(qiáng)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(shí)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其測(cè)量結(jié)果研究成果可應(yīng)用于工程實(shí)際，且具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

作者：吳強(qiáng) 張福順 馮昕罡 焦磊 薛欣