【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，根據典型參數和需要的探測距離，計算出導引頭天線陣中每個單元的發射功率；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鍵參數變化的曲線，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，其性能優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展的一個新領域，若要將相控陣技術用于雷達導引頭關鍵是研制可共形、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射功率計算
雷達導引頭的作用距離和其發射功率之間的關系：
式中：Ｐａ為導引頭發射機功率（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）中導引頭發射功率與作用距離的四次冪成正比，因此發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，根據需要計算每個天線單元的發射功率。
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。
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射功率，應在有限口徑條件下盡量增多陣元數目。方形陣列可在保持陣元間耦合較小的情況下，在較小的口徑內填充較多的天線單元，在每個單元的發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 天線單元發射功率計算
根據需要導引頭主要參數如表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，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 雷達導引頭經驗參數
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。
若導引頭的各參數如表１所示，根據式（１），當天線掃描到４５°時，仍需保證導引頭的作用距離為２０ｋｍ，可計算得到平均發射功率為６４Ｗ。由經驗可知精確制導雷達發射脈沖功率大約為平均功率的１０００ 倍，所以得到天線陣的發射脈沖功率為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。因此，天線的歐姆損耗和介質損耗引起發熱，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所示的平行結構，由于矩形貼片天線的Ｗ 通常較大，該結構的等效寬度Ｗ′可用下式計算：
其中，假設微帶天線的輸入功率為１Ｗ，由貼片的損耗產生的發熱功率為：
圖３ 微帶天線的等效平行結構
其中ａｃ為用分貝表示的貼片的衰減系數。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，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，因此選擇適當的基板材料，其峰值功率容量可以滿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，計算結果表明，在適當選擇合適的基板材料的基礎上，微帶天線的功率容量可以滿足相控陣雷達導引頭的需要。
推薦閱讀：
