【導讀】文中重點(diǎn)研究了微帶天線(xiàn)的功率容量能否滿(mǎn)足相控陣導引頭的要求。首先，根據課題需要進(jìn)行了相控陣導引頭天線(xiàn)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(xiàn)陣中每個(gè)單元的發(fā)射功率；接著(zhù)，對矩形微帶天線(xiàn)的功率容量進(jìn)行了研究，并給出了矩形微帶天線(xiàn)功率容量隨關(guān)鍵參數變化的曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)對于矩形微帶天線(xiàn)的設計具有參考價(jià)值，研究結果表明微帶天線(xiàn)的功率容量可以滿(mǎn)足相控陣導引頭的應用要求。
引言
導引頭是整個(gè)精確制導武器中最具核心地位的子系統，其性能優(yōu)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(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域，若要將相控陣技術(shù)用于雷達導引頭關(guān)鍵是研制可共形、低截面、小型化、輕型天線(xiàn)陣列。
微帶天線(xiàn)是２０世紀７０年代初期研制成功的一種天線(xiàn)，在１００ＭＨｚ到５０ＧＨｚ的頻帶上獲得大量應用。與通常微波天線(xiàn)相比，微帶天線(xiàn)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，非常適合在導彈、火箭和衛星上應用。因此微帶天線(xiàn)很適合作為天線(xiàn)陣列單元應用于相控陣雷達導引頭中。
然而，微帶天線(xiàn)的一個(gè)缺點(diǎn)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(fā)射功率，若要將微帶天線(xiàn)陣應用于導引頭，必須考慮微帶天線(xiàn)陣所能承受的最大發(fā)射功率。文中以微帶天線(xiàn)功率容量的計算方法為研究重點(diǎn)，論證微帶天線(xiàn)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(fā)射功率計算
雷達導引頭的作用距離和其發(fā)射功率之間的關(guān)系：
式中：Ｐａ為導引頭發(fā)射機功率（Ｗ）；Ｐｍｉｎ為接收機靈敏度（Ｗ）；λ為工作波長(cháng)（ｍ）；δＴ為目標散射截面積（ｍ２）；Ｇ 為天線(xiàn)陣的增益。Ｌ 為雷達能量傳輸損耗，由于估算天線(xiàn)陣的輸入功率，因此此處只計天線(xiàn)的損耗。假設微帶天線(xiàn)陣的輻射效率為７０％，則Ｌ ＝１．４３。式（１）中導引頭發(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）計算相控陣導引頭每個(gè)天線(xiàn)單元所需發(fā)射功率，首先，需要討論相控陣天線(xiàn)增益的計算方法和陣列設計方法。然后，根據需要計算每個(gè)天線(xiàn)單元的發(fā)射功率。
１.１ 天線(xiàn)陣增益
假設如圖１所示的一個(gè)有限陣元的平面均勻天線(xiàn)陣，每個(gè)天線(xiàn)單元分配的面積為Ａ，假設θ是所考慮方向（目標視線(xiàn)方向）同最大輻射方向之間的夾角，則單個(gè)天線(xiàn)在該方向上的增益為：
那么天線(xiàn)陣在該方向上增益可用下式計算
那么天線(xiàn)陣在該方向上增益可用下式計算，其中ｎ為天線(xiàn)單元數。
圖１ 平面均勻天線(xiàn)陣示意圖
１.２ 天線(xiàn)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(xiàn)陣的發(fā)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(xiàn)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]有效陣元數采用８×８的矩形陣；為了滿(mǎn)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(xiàn)單元發(fā)射功率計算
根據需要導引頭主要參數如表１所示。若天線(xiàn)單元間距離為半波長(cháng)，導彈導引頭天線(xiàn)波束的掃描角在（－４５°，４５°）內，按照式（２）天線(xiàn)單元最大輻射方向增益為１．５７，當掃描到最大掃描角時(shí)天線(xiàn)單元增益為１．１１。
表１ 雷達導引頭經(jīng)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(shí)際為２１×２１陣列。天線(xiàn)陣列在掃描角為零時(shí)的天線(xiàn)陣增益為６９２，為２８．４ｄＢ，當掃描到４５°時(shí)，天線(xiàn)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(xiàn)掃描到４５°時(shí)，仍需保證導引頭的作用距離為２０ｋｍ，可計算得到平均發(fā)射功率為６４Ｗ。由經(jīng)驗可知精確制導雷達發(fā)射脈沖功率大約為平均功率的１０００ 倍，所以得到天線(xiàn)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(xiàn)單元的平均功率為０．１４５Ｗ，脈沖功率應為１４５．１Ｗ。
２ 微帶天線(xiàn)功率容量的估算
利用微帶天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型，可將矩形微帶天線(xiàn)視為與貼片同寬的傳輸線(xiàn)連接兩個(gè)間距為Ｌ 的縫隙組成的系統。因此，天線(xiàn)的歐姆損耗和介質(zhì)損耗引起發(fā)熱，導致天線(xiàn)單元的溫度升高，最終限制矩形微帶天線(xiàn)的平均功率，而導體和地板之間介質(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(xiàn)的歐姆損耗，產(chǎn)生的熱流密度，假設天線(xiàn)的接地板散熱良好，由于天線(xiàn)的金屬貼片傳熱較快，因此可認為歐姆損耗產(chǎn)生的熱量在貼片上均勻分布，利用微帶天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型，可將介質(zhì)厚度為ｈ、寬度為Ｗ 、長(cháng)度為Ｌ 的矩形微帶天線(xiàn)視為圖３所示的平行結構，由于矩形貼片天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)時(shí)微帶天線(xiàn)的寬度Ｗ 通常按照下式確定：
如Ｈｏｗｅ報道過(guò)微帶天線(xiàn)在Ｓ 波段成功工作在１０ｋＷ，在Ｘ波段成功應用于４ｋＷ。若與天線(xiàn)寬度相同的微帶線(xiàn)的特性阻抗為Ｚ０，Ｖ０為天線(xiàn)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度有關(guān)，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(shí)，工作于１０ＧＨｚ時(shí)的微帶天線(xiàn)峰值功率容量為１７２．２ｋＷ。還可通過(guò)增大天線(xiàn)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(mǎn)足文中第一部分計算的相控陣雷達導引頭對天線(xiàn)峰值功率容量要求。
３ 結論
文中對導引頭的相控陣天線(xiàn)進(jìn)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(xiàn)單元所需的功率容量；重點(diǎn)研究了矩形微帶天線(xiàn)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(xiàn)的功率容量可以滿(mǎn)足相控陣雷達導引頭的需要。
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