引言

 

導(dao)引(yin)頭(tou)是(shi)整(zheng)個(ge)精(jing)確(que)製(zhi)導(dao)武(wu)器(qi)中(zhong)最(zui)具(ju)核(he)心(xin)地(di)位(wei)的(de)子(zi)係(xi)統(tong)
，其(qi)性(xing)能(neng)優(you)劣(lie)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)精(jing)確(que)製(zhi)導(dao)武(wu)器(qi)的(de)效(xiao)能(neng)。相(xiang)控(kong)陣(zhen)導(dao)引(yin)頭(tou)是(shi)導(dao)引(yin)頭(tou)體(ti)製(zhi)發(fa)展(zhan)的(de)一(yi)個(ge)新(xin)領(ling)域(yu)
，若(ruo)要(yao)將(jiang)相(xiang)控(kong)陣(zhen)技(ji)術(shu)用(yong)於(yu)雷(lei)達(da)導(dao)引(yin)頭(tou)關(guan)鍵(jian)是(shi)研(yan)製(zhi)可(ke)共(gong)形(xing)
、低截麵、小型化、輕型天線陣列。

 

 

微帶天線是２０世紀７０年代初期研製成功的一種天線，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
、剖麵薄，成本低，易於共形

，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於相控陣雷達導引頭中。

 

 

然(ran)而(er)，微(wei)帶(dai)天(tian)線(xian)的(de)一(yi)個(ge)缺(que)點(dian)是(shi)功(gong)率(lv)容(rong)量(liang)較(jiao)低(di)，為(wei)了(le)具(ju)有(you)更(geng)遠(yuan)的(de)探(tan)測(ce)距(ju)離(li)，相(xiang)控(kong)陣(zhen)導(dao)引(yin)頭(tou)需(xu)要(yao)有(you)較(jiao)大(da)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)，若(ruo)要(yao)將(jiang)微(wei)帶(dai)天(tian)線(xian)陣(zhen)應(ying)用(yong)於(yu)導(dao)引(yin)頭(tou)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)微(wei)帶(dai)天(tian)線(xian)陣(zhen)所(suo)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)。文(wen)中(zhong)以(yi)微(wei)帶(dai)天(tian)線(xian)功(gong)率(lv)容(rong)量(liang)的(de)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)為(wei)研(yan)究(jiu)重(zhong)點(dian)，論(lun)證(zheng)微(wei)帶(dai)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)在(zai)相(xiang)控(kong)陣(zhen)導(dao)引(yin)頭(tou)中(zhong)應(ying)用(yong)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

 

(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係：

 

 

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為目標散射截麵積（ｍ２）；Ｇ 為天線陣的增益。Ｌ 為雷達能量傳輸損耗，由於估算天線陣的輸入功率
，因此此處隻計天線的損耗。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製因素是作用距離。

 

為在一定作用距離情況下利用式（１）計ji算suan相xiang控kong陣zhen導dao引yin頭tou每mei個ge天tian線xian單dan元yuan所suo需xu發fa射she功gong率lv，首shou先xian，需xu要yao討tao論lun相xiang控kong陣zhen天tian線xian增zeng益yi的de計ji算suan方fang法fa和he陣zhen列lie設she計ji方fang法fa。然ran後hou，根gen據ju需xu要yao計ji算suan每mei個ge天tian線xian單dan元yuan的de發fa射she功gong率lv。

 

１.１ 天線陣增益

 

假設如圖１所示的一個有限陣元的平麵均勻天線陣
，每個天線單元分配的麵積為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：

 

那麼天線陣在該方向上增益可用下式計算

 

那麼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　平麵均勻天線陣示意圖

 

１.２ 天線陣設計

 

應(ying)用(yong)於(yu)導(dao)引(yin)頭(tou)的(de)相(xiang)控(kong)陣(zhen)安(an)裝(zhuang)在(zai)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)的(de)彈(dan)體(ti)中(zhong)，因(yin)此(ci)陣(zhen)列(lie)應(ying)排(pai)列(lie)成(cheng)圓(yuan)形(xing)麵(mian)陣(zhen)，為(wei)了(le)增(zeng)大(da)天(tian)線(xian)陣(zhen)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)，應(ying)在(zai)有(you)限(xian)口(kou)徑(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)盡(jin)量(liang)增(zeng)多(duo)陣(zhen)元(yuan)數(shu)目(mu)。方(fang)形(xing)陣(zhen)列(lie)可(ke)在(zai)保(bao)持(chi)陣(zhen)元(yuan)間(jian)耦(ou)合(he)較(jiao)小(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，在(zai)較(jiao)小(xiao)的(de)口(kou)徑(jing)內(nei)填(tian)充(chong)較(jiao)多(duo)的(de)天(tian)線(xian)單(dan)元(yuan)，在(zai)每(mei)個(ge)單(dan)元(yuan)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)一(yi)定(ding)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，獲(huo)得(de)較(jiao)大(da)的(de)空(kong)間(jian)合(he)成(cheng)功(gong)率(lv)。考(kao)慮(lv)有(you)效(xiao)陣(zhen)元(yuan)數(shu)采(cai)用(yong)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（隻有陣元，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　矩形陣布局平麵示意圖

 

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。由經驗可知精確製導雷達發射脈衝功率大約為平均功率的１０００ 倍
，所以得到天線陣的發射脈衝功率為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
，脈衝功率應為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de縫feng隙xi組zu成cheng的de係xi統tong。因yin此ci
，天tian線xian的de歐ou姆mu損sun耗hao和he介jie質zhi損sun耗hao引yin起qi發fa熱re，導dao致zhi天tian線xian單dan元yuan的de溫wen度du升sheng高gao
，最zui終zhong限xian製zhi矩ju形xing微wei帶dai天tian線xian的de平ping均jun功gong率lv
，而er導dao體ti和he地di板ban之zhi間jian介jie質zhi的de擊ji穿chuan電dian壓ya則ze限xian製zhi峰feng值zhi功gong率lv。

 

２.１ 平均功率容量

 

首shou先xian考kao慮lv天tian線xian的de歐ou姆mu損sun耗hao，產chan生sheng的de熱re流liu密mi度du，假jia設she天tian線xian的de接jie地di板ban散san熱re良liang好hao，由you於yu天tian線xian的de金jin屬shu貼tie片pian傳chuan熱re較jiao快kuai，因yin此ci可ke認ren為wei歐ou姆mu損sun耗hao產chan生sheng的de熱re量liang在zai貼tie片pian上shang均jun勻yun分fen布bu，利li用yong微wei帶dai天tian線xian的de傳chuan輸shu線xian模mo型xing
，可ke將jiang介jie質zhi厚hou度du為weiｈ、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
，由於矩形貼片天線的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係數。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波段成功應用於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，幹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，工作於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；zhongdianyanjiulejuxingweidaitianxiandegonglvrongliangdejisuanfangfa
，jisuanjieguobiaoming，zaishidangxuanzeheshidejibancailiaodejichushang，weidaitianxiandegonglvrongliangkeyimanzuxiangkongzhenleidadaoyintoudexuyao。

 

 

推薦閱讀：