弹载共形端射天线阵设计与辐射机理研究

End-fire antenna or array has been widely used in direction finding, remote communication and other fields, due to its highly directive property. However，the analysis and design procedure of the electromagnetic system consisted of end-fire antenna array, metal cylinder platform and dielectric radome remains a very complicated systematic engineering, and many phenomenal nature and mechanisms need to be further explored and studied. In this project, a wideband conformal end-fire antenna based on monopole log-periodic antenna will be studied and designed for airborne/missile-borne platform, and low profile conformal installation and endfire beam in the tangential direction of metal surface can be realized. By using array configuration, the antenna array provides a good received signal for direction finding applications, and effectively resolves the problem of insufficient space in the interior of antenna radome, missile-body surface conformal requirement, electromagnetic compatibility, and so on. Meanwhile, by means of theoretical analysis, numerical simulation, experimental research methods, the mutual interaction mechanism between end-fire antenna array and dielectric antenna radome, as well as the approach to reduce the mutual coupling between array elements using novel multilayer meta-material absorbers are implemented in this project. Finally, a prototype of the wideband low profile conformal end-fire antenna array is developed for direction finding applications. The research results gained from this project are of great values in science and engineering, and have wide application potentialities in both military and civilian areas.

端射天线/天线阵的辐射场由于具有极高的定向性，决定其在测向、远距离通信等领域具有广泛的应用前景。但端射天线阵与金属圆柱载体、介质罩组成的电磁系统的分析与设计是一个非常复杂的系统工程，许多现象本质和机理尚未清楚，有待深入探索和研究。本课题拟以单极对数周期天线为基础，旨在研究和设计适合弹载、机载平台的共形端射天线，天线能够和载体蒙皮低剖面共形安装，具有载体蒙皮切向方向的端射波束，通过组阵方式能够为侦察测向提供良好的接收信号，有效地解决弹体头部空间不足、弹体表面共形要求和电磁兼容等问题。通过理论分析、数值仿真、实验研究等手段，研究端射天线阵与介质罩的相互作用机理，探索在特定电磁环境下加载超材料多层吸波体降低阵元间互耦的方法及实现途径。最终，开发出用于前向侦察测向的宽带低剖面共形端射天线阵样品。研究目标的实现在军事和民用领域有着迫切的应用需求，具有重要的科学意义和工程应用价值。

端射天线是指主波束方向与天线结构排列或延伸末端方向一致的天线，由于其具有方向性强、增益高等特点，能降低飞行器载体整体雷达散射截面和天线占用容积，也能增加天线的孔径效率和波束可控特性，在飞机、导弹、无人机等高速移动载体平台上的应用越来越受到青睐。项目旨在基于各类型端射天线基本单元研究和实现宽带和低剖面垂直极化端射天线结构，以此实现在各类型金属载体平台共形设计的工程实现方案。以传统Yagi天线基本结构为基体，研究微带Yagi天线的物理机理、电磁特性、设计方法，发现可采用耦合槽线巴伦、蝶形偶极子、菱形引向器等宽带结构，突破传统Yagi天线的带宽极限；以H面喇叭天线为基础，研究H面表面波馈电波导中TE高阶模式抑制机理，实现TE10单模式在极宽频带内传输，结合介质棱镜思想，开发出高增益平台嵌入式H面喇叭端射天线，并进行实验测试与验证；提出应用超表面对TM表面波调制机理，研究超表面基本单元及阵元之间的等效电路模型，发现通过调制亚波长贴片尺寸及阵元间距可调TM表面波传播常数和衰减常数，获得最佳的端射辐射波束，开发出小尺寸的端射天线；提出采用一个单臂螺旋天线和一个双臂螺旋天线通过馈电网络系统集成，其中一个天线工作在低频段，另一个工作在高频段，而馈电网络由一个低通滤波器和两个高通滤波器组成，根据高、低频天线的工作频率范围，选择不同路径进行微波信号馈电，实现一个双频平面圆极化天线。采用“理论分析、数值仿真、实验研究”三位一体的现代科学研究方式，系统地验证了超宽带、低剖面垂直极化端射天线，以及平面端射圆极化天线等方面的理论、设计与电磁仿真方法的正确性。本项目将继续使用余下经费正展开研究各种结构的频率选择表面（FSS），提出应用这种结构加载在两紧凑定位的共形单极对数周期天线之间，抑制两端射天线单元之间相互传输的表面波和空间波。本项目完成了研究任务，实现研究目标，研究成果具有重要的科学价值，在军事和民用领域有广泛的应用前景。