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。

 

 

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。

 

 

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。

 

(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：

 

 

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

 

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)。

 

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?？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(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。

 

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。

 

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：

 

 

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：

 

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：

 

 

如Ｈｏｗｅ報(bào)道過微帶天線在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：

 

 

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。

 

 

推薦閱讀：