小型化GPS锥面共形天线阵的研制

在航空器、导弹等高速飞行器上，全球定位系统GPS是不可或缺的组件，它广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。而在GPS系统的研究开发过程中,天线成为必须解决的关键问题之一。这些飞行器要求天线既不影响其空气动力性能，又不破坏其机械结构和强度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能优点的共形天线阵在飞行器上得到广泛应用。

目前，对于锥面共形天线阵的研究报道非常多。提出了一种锥面共形天线阵的分析方法，研究了一种毫米波段锥面共形天线阵。对于上述锥面共形天线阵，工作频率较高，尺寸上基本不受限制，相邻单元的弧面间距大于或者接近天线工作频率的半波长。但是在天线尺寸受限的情况下，相邻单元的弧面间距如果小于半波长，单元间的耦合加剧，天线阵的电压驻波比就会急剧恶化，辐射特性也会有剧烈的起伏，极不稳定。所以在GPS频段，天线尺寸受到共形体锥面表面积的限制，天线的小型化成为设计中的核心问题。众所周之，GPS天线是右旋圆极化天线，但是考虑到小型化的要求，为了满足辐射特性，采用线极化天线可以减小3dB的损耗。所以本文设计出了一种采用线极化方式的小型化GPS锥面共形天线阵，在减小天线尺寸的同时提高了天线的性能。

2  设计要求

天线要求共形安装在如图1所示的锥台上，锥台上底面圆周长约为0.26λ₀（λ₀为天线中心频率的波长），下底面圆周长约为0.67λ₀，锥台母线长H约为0.24λ₀，工作频率为_f0=1.575GHz，天线辐射的H面方向图要求全向。

经分析，由于天线安装面面积极小，天线阵只能采用2单元微带共形结构，阵元弧面间距仅为0.25λ₀，远小于天线工作频率的半波长，阵元间耦合强烈，并且天线要求水平全向辐射，这使得天线设计实现小型化，保证中心频率并稳定天线辐射性能成为首要设计要求。

图1  天线安装锥台示意图

3  理论分析与设计

本文先利用一般微带天线的设计方法设计天线单元，并对馈电方式进行改进，利用Ansoft HFSS软件对天线单元进行仿真优化设计，大大降低了天线阵的设计复杂度。

3.1  天线单元的分析与设计

在天线的设计中考虑到安装平台的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介电常数柔性介质基片，介质厚度为h=0.6mm，矩形微带天线的尺寸公式为^[5]：

              （1）

               （2）

式中f0为天线工作的中心频率，c为光速(3×10⁸m/s) 。而al为微带传输线的等效伸长量，可由下式求得:

                      （3）

er为介质基片的有效介电常数，由边缘效应决定，可由下式求得:

      （4）

图2  天线单元结构示意图 考虑到天线需要共形在锥面上，馈线如果太细，那么在实际加工及调试过程中就会比较容易被折断，所以考虑到这些问题，根据微带线特性阻抗设计公式计算，在er=10.2，基片厚度为0.6mm的情况下，输入阻抗为50Ω的馈线宽度为0.6mm;输入阻抗为20Ω的馈线宽度为2.5mm。显然在20Ω时的馈线就比较不容易被折断，所以本文设计单元的输入阻抗为20Ω。

通过在天线单元边缘开槽使微带馈线深入单元内部的方法，能够很好的调节单元的阻抗特性，实现天线单元的匹配，并能有效降低单元的尺寸。 天线单元的结构示意图如图2所示，其中Wf为单元馈线的宽度，Ws为槽宽度，Ls为槽深。

3.2  馈电网络的设计

微带天线阵的馈电方式主要包括串馈、并馈、反射阵面馈电等，并联馈电方式中的T型结功分器具有结构简单、占据空间小、容易实现宽频带等突出优点^[6]，因此，设计中采用由T型结功分器构成的并联馈电网络，使用等幅同相馈电方式。天线单元的输入阻抗为20Ω，阵列总端口的输入阻抗为50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗变换线，使20Ω与100Ω阻抗相匹配，通过计算得出λ/4阻抗变换传输线的特性阻抗约等于45Ω，宽度为0.7mm。

通过馈电网络的有效弯折和总体合理布局可大大减小天线阵的大小，图3给出了天线阵馈电网络示意图。

图3  天线阵馈电网络示意图

4  天线阵实测结果

本文根据天线的设计和仿真，研制出小型化GPS锥面共形天线阵的试验样机，并用金属椎体模拟了真实弹头，对研制的天线进行了电特性测量^[7]。图4所示的是天线阵样机平面图。