弹载共形导引头天线的仿真优化

微波技术与天线 弹载共形导引头天线的仿真优化

更高的功率孔径积，以获得更窄的波束宽度，提高了雷达探测能力，克服平面阵列天线的“波束宽度随着扫描角度的增大而增大”的缺陷。

（2）在不同角度扫描的情况下对每个阵元的相位的幅度进行修正和加权，得到十分宽的扫描角度，并保证在扫描角度的方向上获得高增益，以及低副瓣的工程要求。

（3）由于可以大角度扫描，导引头可以采用电扫描来替代传统的机械扫描伺服系统。电扫描的共形导引头天线能大大提高反应速度和探测精度。

当然，共形天线的设计不外乎是产生预期的方向图，并达到工程上的主瓣增益、方向性系数、副瓣电平、波束宽度，波束扫描临界角度等性能指标。因此，与通常天线设计类似，应先用一种指定的方法，产生预期的辐射方向图，然后应用系统方法或几种组合方法来设计一种天线结构，使其尽可能逼近最终期望的方向图，并满足系统的其他指标：如和波束，其目标可为保证一定的主瓣的增益、方向性系数、尽可能降低副瓣电平；而如差波束，其目标可为降低副瓣电平、降低相对零深以及保证波束的对称性[4]。因此共形天线的设计优化的问题本质上可以归到天线阵波形赋束的综合问题中。在这类综合问题中，影响主瓣增益与方向性系数的主要因素是不同波束扫描角度下的阵元的相位修正和阵元的幅度加权因子；影响副瓣电平大小的因素，主要包括激励幅度误差、相位误差、扫描角度等，同时也需要合理的幅度加权和范围划分来达到抑制副瓣的目的。x、y、z三个方向中的任何一个方向的位置误差对天线副瓣电平都起着一定作用，因此应严格控制每个方向的位置误差范围，而其中天线副瓣对波束指向方向的位置误差最为敏感[5]。由于在传输系统中同时进行幅度控制和相位控制是相当困难且成本非常昂贵[6]，因此尽可能地在馈电系统进行先一步的幅度和相位的控制才是比较明智的选择。

对共形天线的需求推动了共形天线的发展，当前世界上许多国家都在开展共形天线的研究，不断取得发展和突破，图1是某种较典型的共形天线[7]，其结构造型十分类似于本文设计与仿真的弹载共形导引头天线。

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图1 一种用于卫星数据通信的共形天线

3 共形导引头天线设计仿真

3.1 模型设计与要求

本文来源于实际工程设计要求：某弹载共形导引头天线的设计及仿真优化，其属于复合型弹载共形导引头天线。所有阵元分布在几何形状为圆台的侧表面，圆台体高320mm；底面口径200mm，顶部口径40mm，所有阵元的x、y坐标满足半波长间距，

z坐标可以根据相应的共形面方程求得。激励中心

频率为35GHz，采用方位面极化。本文运用了综合波束赋形法仿真了共形导引头天线的和波束，计算并观察了0-60度的主瓣方向性系数、方位面及俯仰面的副瓣电平，并通过多角度扫描的仿真结果找到波束扫描中裂瓣的临界角度。为了实现波束的角度扫描，对天线阵的每一个阵元都要进行相位修正和幅度加权。图2为在CST微波工作室®中设计的共形导引头天线模型：图中红色部分为软件中的离散端口，即共形天线的每一个阵元，端口上的数字即为每个阵元的编号，这里的总阵元数为952个，图中蓝色部分为共形面示意。此外，由于模型的对称性，在软件中可以添加磁对称面只仿真模型的一半，如此可以得到仿真全部阵元一样的结果并节省一般计算时间，这也是下图只定义了上半部分阵元的原因。本文根据软件中设置的离散端口等效的偶极子模型来进行推导，实际的导引头设计可以采用共形微带天线阵来实现。

共形阵与平面阵的区别在于，其在较大的扫描角度时，扫描角度方向上，并非所有阵元都是“可见的”，即某些阵元可能会被其他的阵元所遮盖，但实际中这个被遮盖的阵元对方向图有着其自身的贡献

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