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相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算

發(fā)布時(shí)間:2019-04-09 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】文中重點(diǎn)研究了微帶天線的功率容量能否滿足相控陣導(dǎo)引頭的要求。首先,根據(jù)課題需要進(jìn)行了相控陣導(dǎo)引頭天線陣的總體設(shè)計(jì);然后,根據(jù)典型參數(shù)和需要的探測(cè)距離,計(jì)算出導(dǎo)引頭天線陣中每個(gè)單元的發(fā)射功率;接著,對(duì)矩形微帶天線的功率容量進(jìn)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(duì)于矩形微帶天線的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)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(dǎo)引頭的應(yīng)用要求。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
引言
 
導(dǎo)引頭是整個(gè)精確制導(dǎo)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(dǎo)武器的效能。相控陣導(dǎo)引頭是導(dǎo)引頭體制發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域,若要將相控陣技術(shù)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭關(guān)鍵是研制可共形、低截面、小型化、輕型天線陣列。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
微帶天線是20世紀(jì)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(yīng)用。與通常微波天線相比,微帶天線的主要優(yōu)點(diǎn)是:體積小、重量輕、剖面薄,成本低,易于共形,不擾動(dòng)裝載裝備的空氣動(dòng)力學(xué)性能,非常適合在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上應(yīng)用。因此微帶天線很適合作為天線陣列單元應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭中。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
然而,微帶天線的一個(gè)缺點(diǎn)是功率容量較低,為了具有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離,相控陣導(dǎo)引頭需要有較大的發(fā)射功率,若要將微帶天線陣應(yīng)用于導(dǎo)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(jì)算方法為研究重點(diǎn),論證微帶天線陣列在相控陣導(dǎo)引頭中應(yīng)用的可能性。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
(以上為射頻百花潭配圖)
 
1 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射功率計(jì)算
 
雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離和其發(fā)射功率之間的關(guān)系:
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
式中:Pa為導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率(W);Pmin為接收機(jī)靈敏度(W);λ為工作波長(zhǎng)(m);δT為目標(biāo)散射截面積(m2);G 為天線陣的增益。L 為雷達(dá)能量傳輸損耗,由于估算天線陣的輸入功率,因此此處只計(jì)天線的損耗。假設(shè)微帶天線陣的輻射效率為70%,則L =1.43。式(1)中導(dǎo)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(jì)算相控陣導(dǎo)引頭每個(gè)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(jì)算方法和陣列設(shè)計(jì)方法。然后,根據(jù)需要計(jì)算每個(gè)天線單元的發(fā)射功率。
 
1.1 天線陣增益
 
假設(shè)如圖1所示的一個(gè)有限陣元的平面均勻天線陣,每個(gè)天線單元分配的面積為A,假設(shè)θ是所考慮方向(目標(biāo)視線方向)同最大輻射方向之間的夾角,則單個(gè)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(jì)算相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
那么天線陣在該方向上增益可用下式計(jì)算,其中n為天線單元數(shù)。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
圖1 平面均勻天線陣示意圖
 
1.2 天線陣設(shè)計(jì)
 
應(yīng)用于導(dǎo)引頭的相控陣安裝在圓柱形的彈體中,因此陣列應(yīng)排列成圓形面陣,為了增大天線陣的發(fā)射功率,應(yīng)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(gè)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。考慮有效陣元數(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(gè)虛陣元(只有陣元,不與其它負(fù)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。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
圖2 矩形陣布局平面示意圖
 
1.3 天線單元發(fā)射功率計(jì)算
 
根據(jù)需要導(dǎo)引頭主要參數(shù)如表1所示。若天線單元間距離為半波長(zhǎng),導(dǎo)彈導(dǎo)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(dāng)掃描到最大掃描角時(shí)天線單元增益為1.11。
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
表1 雷達(dá)導(dǎo)引頭經(jīng)驗(yàn)參數(shù)
 
則若按照?qǐng)D2布陣,可以布成23×23陣列,除去兩邊的虛陣元,實(shí)際為21×21陣列。天線陣列在掃描角為零時(shí)的天線陣增益為692,為28.4dB,當(dāng)掃描到45°時(shí),天線陣的增益為490,為26.9dB。
 
若導(dǎo)引頭的各參數(shù)如表1所示,根據(jù)式(1),當(dāng)天線掃描到45°時(shí),仍需保證導(dǎo)引頭的作用距離為20km,可計(jì)算得到平均發(fā)射功率為64W。由經(jīng)驗(yàn)可知精確制導(dǎo)雷達(dá)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(gè)單元以上,則天線單元的平均功率為0.145W,脈沖功率應(yīng)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(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(rèn)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(zhǎng)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(jì)算:
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
其中,假設(shè)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:
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
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(shè)計(jì)微帶天線時(shí)微帶天線的寬度W 通常按照下式確定:
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
如Howe報(bào)道過(guò)微帶天線在S 波段成功工作在10kW,在X波段成功應(yīng)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:
 
相控微帶天線陣設(shè)計(jì)及單元功率容量計(jì)算
 
V0與基板材料和空氣的耐壓強(qiáng)度有關(guān),干燥空氣的耐壓強(qiáng)度為30kV/cm,而基板材料的耐壓強(qiáng)度一般比較大,如4350基板材料的耐壓強(qiáng)度為33.2kV/mm,當(dāng)基板厚度為0.5mm 時(shí),工作于10GHz時(shí)的微帶天線峰值功率容量為172.2kW。還可通過(guò)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(dāng)?shù)幕宀牧?,其峰值功率容量可以滿足文中第一部分計(jì)算的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭對(duì)天線峰值功率容量要求。
 
3 結(jié)論
 
文中對(duì)導(dǎo)引頭的相控陣天線進(jìn)行了總體設(shè)計(jì),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(diǎn)研究了矩形微帶天線的功率容量的計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)果表明,在適當(dāng)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?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的需要。
 
 
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