【導讀】文中重點研究了微帶天線的功率容量能否滿足相控陣導引頭的要求。首先,根據(jù)課題需要進行了相控陣導引頭天線陣的總體設計;然后,根據(jù)典型參數(shù)和需要的探測距離,計算出導引頭天線陣中每個單元的發(fā)射功率;接著,對矩形微帶天線的功率容量進行了研究,并給出了矩形微帶天線功率容量隨關(guān)鍵參數(shù)變化的曲線,該曲線對于矩形微帶天線的設計具有參考價值,研究結(jié)果表明微帶天線的功率容量可以滿足相控陣導引頭的應用要求。
引言
導引頭是整個精確制導武器中最具核心地位的子系統(tǒng),其性能優(yōu)劣直接影響精確制導武器的效能。相控陣導引頭是導引頭體制發(fā)展的一個新領(lǐng)域,若要將相控陣技術(shù)用于雷達導引頭關(guān)鍵是研制可共形、低截面、小型化、輕型天線陣列。
微帶天線是20世紀70年代初期研制成功的一種天線,在100MHz到50GHz的頻帶上獲得大量應用。與通常微波天線相比,微帶天線的主要優(yōu)點是:體積小、重量輕、剖面薄,成本低,易于共形,不擾動裝載裝備的空氣動力學性能,非常適合在導彈、火箭和衛(wèi)星上應用。因此微帶天線很適合作為天線陣列單元應用于相控陣雷達導引頭中。
然而,微帶天線的一個缺點是功率容量較低,為了具有更遠的探測距離,相控陣導引頭需要有較大的發(fā)射功率,若要將微帶天線陣應用于導引頭,必須考慮微帶天線陣所能承受的最大發(fā)射功率。文中以微帶天線功率容量的計算方法為研究重點,論證微帶天線陣列在相控陣導引頭中應用的可能性。
(以上為射頻百花潭配圖)
1 相控陣雷達導引頭發(fā)射功率計算
雷達導引頭的作用距離和其發(fā)射功率之間的關(guān)系:
式中:Pa為導引頭發(fā)射機功率(W);Pmin為接收機靈敏度(W);λ為工作波長(m);δT為目標散射截面積(m2);G 為天線陣的增益。L 為雷達能量傳輸損耗,由于估算天線陣的輸入功率,因此此處只計天線的損耗。假設微帶天線陣的輻射效率為70%,則L =1.43。式(1)中導引頭發(fā)射功率與作用距離的四次冪成正比,因此發(fā)射功率的主要限制因素是作用距離。
為在一定作用距離情況下利用式(1)計算相控陣導引頭每個天線單元所需發(fā)射功率,首先,需要討論相控陣天線增益的計算方法和陣列設計方法。然后,根據(jù)需要計算每個天線單元的發(fā)射功率。
1.1 天線陣增益
假設如圖1所示的一個有限陣元的平面均勻天線陣,每個天線單元分配的面積為A,假設θ是所考慮方向(目標視線方向)同最大輻射方向之間的夾角,則單個天線在該方向上的增益為:
那么天線陣在該方向上增益可用下式計算
那么天線陣在該方向上增益可用下式計算,其中n為天線單元數(shù)。
圖1 平面均勻天線陣示意圖
1.2 天線陣設計
應用于導引頭的相控陣安裝在圓柱形的彈體中,因此陣列應排列成圓形面陣,為了增大天線陣的發(fā)射功率,應在有限口徑條件下盡量增多陣元數(shù)目。方形陣列可在保持陣元間耦合較小的情況下,在較小的口徑內(nèi)填充較多的天線單元,在每個單元的發(fā)射功率一定的情況下,獲得較大的空間合成功率??紤]有效陣元數(shù)采用8×8的矩形陣;為了滿足阻抗匹配要求,在有效矩形陣的四周邊緣各增加一個虛陣元(只有陣元,不與其它負載和有源器件相連),形成10×10的矩形陣(如圖2所示)。x 和y 方向陣元間距dx =λ/2。
圖2 矩形陣布局平面示意圖
1.3 天線單元發(fā)射功率計算
根據(jù)需要導引頭主要參數(shù)如表1所示。若天線單元間距離為半波長,導彈導引頭天線波束的掃描角在(-45°,45°)內(nèi),按照式(2)天線單元最大輻射方向增益為1.57,當掃描到最大掃描角時天線單元增益為1.11。
表1 雷達導引頭經(jīng)驗參數(shù)
則若按照圖2布陣,可以布成23×23陣列,除去兩邊的虛陣元,實際為21×21陣列。天線陣列在掃描角為零時的天線陣增益為692,為28.4dB,當掃描到45°時,天線陣的增益為490,為26.9dB。
若導引頭的各參數(shù)如表1所示,根據(jù)式(1),當天線掃描到45°時,仍需保證導引頭的作用距離為20km,可計算得到平均發(fā)射功率為64W。由經(jīng)驗可知精確制導雷達發(fā)射脈沖功率大約為平均功率的1000 倍,所以得到天線陣的發(fā)射脈沖功率為64000W。21×21的陣列,可安裝441個單元以上,則天線單元的平均功率為0.145W,脈沖功率應為145.1W。
2 微帶天線功率容量的估算
利用微帶天線的傳輸線模型,可將矩形微帶天線視為與貼片同寬的傳輸線連接兩個間距為L 的縫隙組成的系統(tǒng)。因此,天線的歐姆損耗和介質(zhì)損耗引起發(fā)熱,導致天線單元的溫度升高,最終限制矩形微帶天線的平均功率,而導體和地板之間介質(zhì)的擊穿電壓則限制峰值功率。
2.1 平均功率容量
首先考慮天線的歐姆損耗,產(chǎn)生的熱流密度,假設天線的接地板散熱良好,由于天線的金屬貼片傳熱較快,因此可認為歐姆損耗產(chǎn)生的熱量在貼片上均勻分布,利用微帶天線的傳輸線模型,可將介質(zhì)厚度為h、寬度為W 、長度為L 的矩形微帶天線視為圖3所示的平行結(jié)構(gòu),由于矩形貼片天線的W 通常較大,該結(jié)構(gòu)的等效寬度W′可用下式計算:
其中,假設微帶天線的輸入功率為1W,由貼片的損耗產(chǎn)生的發(fā)熱功率為:
圖3 微帶天線的等效平行結(jié)構(gòu)
其中ac為用分貝表示的貼片的衰減系數(shù)。在設計微帶天線時微帶天線的寬度W 通常按照下式確定:
如Howe報道過微帶天線在S 波段成功工作在10kW,在X波段成功應用于4kW。若與天線寬度相同的微帶線的特性阻抗為Z0,V0為天線單元能經(jīng)得起的最大電壓,則最大峰值功率為:
V0與基板材料和空氣的耐壓強度有關(guān),干燥空氣的耐壓強度為30kV/cm,而基板材料的耐壓強度一般比較大,如4350基板材料的耐壓強度為33.2kV/mm,當基板厚度為0.5mm 時,工作于10GHz時的微帶天線峰值功率容量為172.2kW。還可通過增大天線單元邊界與基板邊界的距離增大V0,因此選擇適當?shù)幕宀牧希浞逯倒β嗜萘靠梢詽M足文中第一部分計算的相控陣雷達導引頭對天線峰值功率容量要求。
3 結(jié)論
文中對導引頭的相控陣天線進行了總體設計,主要得到在一定的作用距離條件下,微帶天線單元所需的功率容量;重點研究了矩形微帶天線的功率容量的計算方法,計算結(jié)果表明,在適當選擇合適的基板材料的基礎(chǔ)上,微帶天線的功率容量可以滿足相控陣雷達導引頭的需要。
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