近炸引信中天线关键技术研究

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引信是能够利用目标回波信息使各种弹药适时起爆的控制装置,是武器系统不可缺少的重要组成部分。在现代战争中,引信的作用越来越重要。其中弹载天线是无线电近炸引信中的一项关键技术。文中的内容主要基于三种不同体制的引信系统,设计了三种不同类型的天线。但三种天线的共性是具有同一性质的辐射方向图:最大辐射方向关于平面法线方向对称,并且在法线方向上辐射能量较弱,天线最大辐射方向偏离法线方向某一特定角度。首先,针对跳频引信系统,设计一款圆形微带天线。基于腔膜理论,分析了该种类天线工作在主模式下以及若干高次模式下的辐射方向特性,经计算分析后,假设了在电磁场中存在着一种非奇非偶的电磁模式——分数模式。采用特定的分数模式可以获得所需的侧向辐射性能,天线的E面和H面方向上主瓣较宽,最大辐射方向偏离平面法线方向约为60°,双侧主瓣幅度电平不对称,仿真结果与分数模式下的方向图计算结果较为吻合。针对频率相近的跳频引信,设计了频率差为300MHz的双频引信天线,由变分理论分析得出在微带辐射贴片的边缘处加载面积较小的微扰单元,可以实现两个频率较为接近的双频天线。天线加工测试后的结果与理论分析相吻合,表明在电磁场中存在分数模式,工作在该分数模式下可以实现侧向辐射性能,微扰单元可以分离出两个较为接近的频率的双频天线。其次,针对微带天线的一些固有缺陷:主瓣方向偏离角度较大,且微带天线的功率容量小、增益比较低;设计了一款圆锥喇叭天线,其辐射方向与上述微带天线有具相似的方向特性,但偏离法向角度更小,波束方向也更容易控制。圆锥喇叭天线的设计关键在于同轴波导转圆波导,由模匹配法分析可以得出天线在波导不连续处存在反射,其内场变化改变了波导内部的电磁场分布,工作主模变为TM0m模式,模式的改变导致天线主辐射方向发生变化,使其具备侧向辐射的性能。通过对天线内部波导加载对称的金属脊柱,得以展宽天线工作频率,并且降低其驻波,实现宽带性能。该种圆锥喇叭天线适用于连续波调频引信。最后,由于微带天线与喇叭天线存在固有缺点(微带天线波束固定,喇叭天线波束指向可调范围窄,并且两种天线的辐射对称性不平衡),引入了相控阵天线用以弥补上述缺点。对均匀线阵和非均匀线阵理论分析比较可得,非均匀线阵通过反相激励可以获得侧向辐射特性,其波束指向、波束宽度与阵元数、阵元间距相关,阵元数越多,波束指向偏移法向量越小。采用三角幅度和切比雪夫对阵元激励幅度加权,可以优化副瓣电平。单元之间馈电相位差的变化,影响天线辐射对称轴变化。完成了相控阵天线系统的实物设计,系统由微带辐射阵元、激励器、TR组件、功分器、计算机组成,并成功完成了天线桌面测试,由于天线测试场地改造以及工装结构未完成,尚为完成整体相控阵的测试,仅完成了一维方向的八单元方向性测试,测试结果符合理论分析,从侧面佐证了平面相控阵分析的准确性。文中给出了大量的数据分析过程以及计算曲线图,对于引信天线设计具有重要的参考价值。
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