一種低剖面可調(diào)諧共形蒙皮天線設(shè)計(jì)

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

一種低剖面可調(diào)諧共形蒙皮天線設(shè)計(jì)

溫 彬，陳毅喬

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

提出了一種帶空氣背腔的低剖面可調(diào)諧的共形蒙皮GPS天線。該天線基于背腔微帶縫隙天線，通過漸變微帶線實(shí)現(xiàn)耦合饋電和阻抗匹配，通過減小空氣背腔深度以及在天線饋電網(wǎng)絡(luò)和天線陣面連接的位置加入微帶并聯(lián)開路支節(jié)實(shí)現(xiàn)低剖面設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)支節(jié)的長度實(shí)現(xiàn)天線諧振頻點(diǎn)可調(diào)。該蒙皮天線剖面高度約 0.03λ，仿真結(jié)果顯示，該天線實(shí)現(xiàn)了超過±20 MHz的駐波諧振頻率偏移，并且在頻率偏移過程中駐波小于2的帶寬均大于20 MHz。本工作為共形蒙皮天線設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，適用于低頻段隱身機(jī)載窄帶天線設(shè)計(jì)。

低剖面；蒙皮天線；天線調(diào)試；支節(jié)調(diào)配器；縫隙天線；背腔天線

傳統(tǒng)的機(jī)載共形天線為了實(shí)現(xiàn)良好隱身性能，采用了共形的隱身天線罩加平面的天線陣面，可實(shí)現(xiàn)良好的帶外隱身性能，但在帶內(nèi)和臨近頻段，由于天線罩和天線陣面的來回反射，造成天線隱身較差。而蒙皮天線直接采用低剖易折的微帶天線陣面實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的共形，避免了傳統(tǒng)共形天線中天線罩和天線陣面電磁波的來回反射，可實(shí)現(xiàn)更好的隱身性能，是未來隱身天線的發(fā)展趨勢之一。如圖1所示，蒙皮天線不同于傳統(tǒng)機(jī)載共形天線，它的天線罩緊貼天線輻射陣面，天線罩和輻射陣面在不破壞的情況下不可分離，使得無法對輻射陣面進(jìn)行物理調(diào)試，因而無法調(diào)節(jié)天線諧振頻率和駐波參數(shù)。

基于此，本文針對低剖面的共形蒙皮天線展開了研究，要求天線工作于GPS頻段，具有20 MHz的駐波帶寬（＜2）及±20 MHz的駐波可調(diào)試范圍。本文創(chuàng)新點(diǎn)是在饋電網(wǎng)絡(luò)中引入微帶開路支節(jié)，在不改變天線輻射結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，通過改變支節(jié)長度，完成了天線頻率的可調(diào)，且不會(huì)改變天線其他參數(shù)。

圖1 蒙皮天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of skin antenna

1 共形蒙皮天線

機(jī)載共形蒙皮天線要求天線表面與安裝平臺(tái)共形，具有低剖面的結(jié)構(gòu)和良好的隱身性能。薄層的微帶天線易彎折，可以方便成形實(shí)現(xiàn)蒙皮化，是機(jī)載共形天線首選之一。高頻段（如X頻段）波長小，微帶天線物理尺寸小，薄層介質(zhì)既能滿足天線帶寬要求，且在寬頻帶能實(shí)現(xiàn)良好的隱身，其蒙皮天線實(shí)現(xiàn)也較為容易。在低頻段（如L頻段），由于頻率低、波長大、天線物理尺寸大、在寬頻帶內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高次散射諧振，造成隱身較差。介質(zhì)厚度小，也不能滿足電厚度要求，帶寬較窄。因此，低頻段共形蒙皮天線設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)，而本文也針對這兩點(diǎn)進(jìn)行了研究。

1) 為了增加天線帶寬，可以在微帶天線背后加上一定厚度空氣腔體，該腔體屬于機(jī)械加工，根據(jù)蒙皮形狀可以實(shí)現(xiàn)高精度曲面加工。在性能上，腔體高度越高，天線帶寬越寬。合理選擇高度，可以同時(shí)滿足天線低剖要求和帶寬要求。

2) 要求天線具有諧振可調(diào)性能，這樣可以充分利用天線有限的帶寬。

3) 微帶貼片天線的貼片尺寸約半波長，物理尺寸較大。而微帶縫隙天線的縫寬遠(yuǎn)小于波長，在天線表面，其金屬不連續(xù)區(qū)域比微帶貼片天線少得多，因而更具有良好的隱身性能。

綜合考慮，本文選擇了帶背腔的縫隙天線作為蒙皮天線形式。國內(nèi)外也有學(xué)者針對超寬帶縫隙天線和多頻帶縫隙天線做了很多研究[8-11]，但要么不能滿足低剖，要么是基于縫隙形狀研究，屬于寬縫天線，這兩種隱身性能較差，不能滿足隱身機(jī)載天線要求。

在進(jìn)入胃鏡室觀摩學(xué)習(xí)的過程中，首先對消化系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行熟練的掌握，尤其對食管、胃及十二指腸的內(nèi)鏡下結(jié)構(gòu)具有清晰的認(rèn)識(shí)，這對胃鏡檢查的順利完成及鏡下疾病的診斷起著至關(guān)重要的作用。掌握胃鏡基礎(chǔ)理論，知道消化內(nèi)鏡的發(fā)展史，目前消化內(nèi)鏡設(shè)備越來越先進(jìn)，讓我們對消化系統(tǒng)疾病的認(rèn)識(shí)更加全面且直接。因此掌握胃鏡的操作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于學(xué)習(xí)及更好的掌握胃鏡起著重要作用。除此，還應(yīng)對操作主機(jī)和電腦部分進(jìn)行掌握。以便在學(xué)習(xí)過程中靈活且正確使用胃鏡，避免錯(cuò)誤使用胃鏡造成鏡身過度損耗甚至損壞。

本文設(shè)計(jì)了一種低剖面的背腔共形蒙皮天線，模型如圖2所示，并采用HFSS軟件對天線進(jìn)行仿真分析。該天線為線極化，工作于GPS頻段，通過同軸連接漸變微帶線進(jìn)行饋電和阻抗匹配，微帶線耦合縫隙進(jìn)行能量輻射，在天線饋電位置增加了一個(gè)并聯(lián)支節(jié)作為駐波調(diào)試，其原理將在下一章節(jié)介紹。天線采用相對介電常數(shù)2.2的介質(zhì)基板，介質(zhì)板厚度為0.5 mm（20 mil），縫隙長120 mm寬2 mm，空氣腔體110 mm×110 mm×2 mm，整個(gè)天線厚度僅為5 mm。

圖2 蒙皮天線示意圖Fig.2 Schematic diagram of skin antenna

當(dāng)支節(jié)長度為0，即不考慮支節(jié)調(diào)試時(shí)，天線駐波仿真曲線和方向圖如圖3和圖4所示，天線有27 MHz的帶寬，有良好的極化特性。

圖3 天線駐波曲線Fig.3 VSWR of the antenna

圖4 天線方向圖Fig.4 Pattern of the antenna

2 支節(jié)調(diào)配器原理

采用 HFSS軟件對天線進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示天線帶寬滿足大于20 MHz的要求，但是天線在加工過程中由于加工精度等原因，使得天線實(shí)際工作頻率與設(shè)計(jì)頻率往往不一致，天線在設(shè)計(jì)之初就需要留足夠的余量，或者提供有效調(diào)試方法。對于低頻微帶窄帶天線，尤其是還需要和饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電連接，要留足夠的帶寬余量滿足加工誤差，是很難實(shí)現(xiàn)的。

常用的射頻電纜阻抗一般是50 Ω，當(dāng)天線輸入阻抗不能和50 Ω匹配時(shí)，則需要在中間加入匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。阻抗匹配方法有很多，常見的有四分之一波長變換、集總元件加載、漸變線和支節(jié)調(diào)配器等。前三種多用于已知端口阻抗，需要匹配到另一阻抗的情況，如果端口阻抗發(fā)生改變，匹配將會(huì)惡化甚至失效，而支節(jié)調(diào)配器可以通過調(diào)節(jié)支節(jié)長度和位置，在一定范圍內(nèi)使得匹配最優(yōu)。

圖5 阻抗匹配示意圖Fig.5 Schematic diagram of impedance match net

在微帶線或者帶狀線中，支節(jié)調(diào)配器不需要集總元件，在離負(fù)載一定的位置上并聯(lián)一段短路或者開路的傳輸線段，這段傳輸線就稱為支節(jié)。為了起到可調(diào)的作用，一般采用并聯(lián)開路支節(jié)，從支節(jié)位置往開路處看，該支節(jié)等效于一個(gè)純電感（容）[12-13]。其示意圖如圖6所示，通過調(diào)節(jié)支節(jié)位置d，可以使得支節(jié)位置到負(fù)載的輸入阻抗Y1的實(shí)部與Y0相等，調(diào)節(jié)支節(jié)長度L，可以使得支節(jié)位置到開路的輸入阻抗Y2與Y1的虛部相反，從而使得支節(jié)位置處輸入阻抗與Y0相等，實(shí)現(xiàn)任意阻抗的匹配。

在天線設(shè)計(jì)中，天線輸入導(dǎo)納為YL=GL+jBL，理想情況下，其虛部為0，實(shí)部為0.02（1/50 Ω）。由于加工精度等原因，在天線進(jìn)行測試時(shí)，尤其是窄帶天線，雖然其輸入導(dǎo)納實(shí)部變化不大，但是其虛部往往不等于0，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（小于）0，從而導(dǎo)致天線諧振頻率與設(shè)計(jì)不符。

圖6 并聯(lián)開路支節(jié)調(diào)配器原理圖Fig.6 Principle of stub tuner

天線輸入導(dǎo)納隨頻率變化的曲線一般有兩種形式，如圖7所示，調(diào)節(jié)天線匹配后饋線（或電連接器）的長度，視為史密斯圓圖上輸入導(dǎo)納的旋轉(zhuǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)這兩種形式的轉(zhuǎn)換。輸入導(dǎo)納虛部為0，實(shí)部為0.02認(rèn)為是理想匹配，而在實(shí)際工程中，當(dāng)實(shí)部為0.02±0.01，虛部接近0時(shí)，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了較好的匹配，滿足工程應(yīng)用。在調(diào)試過程中，實(shí)部在該范圍內(nèi)，通過改變虛部的值，可以有效改變匹配頻點(diǎn)，滿足實(shí)際需求。

圖7 天線輸入導(dǎo)納示意圖Fig.7 Input admittance of the antenna

很明顯，形式2的輸入導(dǎo)納實(shí)部有較寬的調(diào)節(jié)區(qū)間，其實(shí)部在0.02±0.01的區(qū)間頻帶范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形式1，所以為了使天線具有更寬的可調(diào)試范圍，需要將天線輸入導(dǎo)納設(shè)計(jì)成類似形式2。

天線輸入導(dǎo)納實(shí)部在一定頻帶范圍內(nèi)有較穩(wěn)定的曲線，所以本文根據(jù)上述支節(jié)調(diào)配器原理，提出一種更簡單有效的調(diào)諧方法，設(shè)置其支節(jié)位置d=0，支節(jié)與天線直接相連，如圖8所示，通過調(diào)節(jié)支節(jié)的長度L使得天線的輸入阻抗（輸入導(dǎo)納）虛部為0，從而在要求的工作頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)匹配。簡單化后的單支節(jié)調(diào)配器雖然不能對輸入導(dǎo)納實(shí)部進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)任意阻抗的匹配調(diào)試，但是優(yōu)點(diǎn)是簡單實(shí)用，更能滿足實(shí)際工程需求。

圖8 天線單支節(jié)調(diào)配器示意圖Fig.8 Schematic diagram of stub tuner

如圖8所示，在天線饋電網(wǎng)絡(luò)（或者電纜，特征導(dǎo)納為 Y0）和天線陣面之間加入一段并聯(lián)開路支節(jié)，其特征導(dǎo)納為Y1，天線陣面處輸入導(dǎo)納為

在天線輸入端口接一段開路并聯(lián)支節(jié)，其輸入導(dǎo)納為

式中：β =2π/λ；當(dāng)tan(βL)，即支節(jié)長度L＜λ/4時(shí)，支節(jié)顯示為容性，當(dāng)tan(βL)＜0，支節(jié)顯示為感性。

在支節(jié)處總的輸入導(dǎo)納為并聯(lián)的支節(jié)和天線輸入導(dǎo)納之和，即Yin= YL+ Yz，調(diào)節(jié)支節(jié)長度L，在要求的頻點(diǎn)上使得Yin虛部為0，也就是要求

在實(shí)際應(yīng)用中，選取合適特征阻抗的支節(jié)會(huì)影響到天線可調(diào)試范圍，當(dāng)需要較大的支節(jié)特征導(dǎo)納Y1時(shí)，其微帶線較寬，甚至難以排布。此時(shí)，可以在同一位置上并聯(lián)多根支節(jié)，其總的輸入導(dǎo)納等于多根支節(jié)輸入導(dǎo)納之和，調(diào)試也變得更靈活。

3 天線調(diào)諧仿真結(jié)果

當(dāng)支節(jié)長度為0時(shí)，天線輸入導(dǎo)納如圖9所示，天線輸入導(dǎo)納在1.59 GHz處虛部為0，實(shí)部約0.02，天線在該頻點(diǎn)諧振，天線理論有效調(diào)節(jié)區(qū)間為1.433～1.608 GHz，調(diào)試頻率寬度為175 MHz，遠(yuǎn)大于天線駐波小于2的帶寬(27 MHz)。支節(jié)長度為0，諧振點(diǎn)為 f0，理論上，逐漸增加支節(jié)長度，輸入導(dǎo)納虛部也逐漸增加，在圖中表現(xiàn)為實(shí)部不變，虛部曲線上移，諧振點(diǎn)從 f0往低頻偏移；當(dāng)支節(jié)長度大于λ0/4時(shí)，在f0處，支節(jié)輸入導(dǎo)納小于0，繼續(xù)增加支節(jié)長度，此時(shí)諧振點(diǎn)將從高頻往 f0偏移；當(dāng)支節(jié)長度等于λ0/2，與無支節(jié)時(shí)有相同的諧振點(diǎn)。實(shí)際中，為了方便調(diào)試，一般選取支節(jié)長度不超過λ0/4，通過減小支節(jié)長度來實(shí)現(xiàn)天線諧振頻率的調(diào)試。

圖9 天線輸入導(dǎo)納曲線Fig.9 Input admittance of the antenna

在該天線中，支節(jié)長度從0變化到35 mm（約λ0/4，λ0為支節(jié)為 0時(shí)天線諧振頻點(diǎn)對應(yīng)的介質(zhì)波長），天線輸入端口導(dǎo)納曲線仿真結(jié)果如圖10所示。圖10（a）為天線輸入導(dǎo)納虛部在不同支節(jié)長度下的頻率變化曲線，與理論一致，在諧振頻點(diǎn)附近，天線輸入導(dǎo)納虛部隨著支節(jié)長度增加而增加，在圖中也可以明顯看出，曲線與y=0直線的交點(diǎn)逐漸往低頻偏，且偏移量越來越大，同時(shí)曲線的斜率也越來越大，造成駐波帶寬越來越窄。當(dāng)支節(jié)總長度增加到35 mm，諧振點(diǎn)偏移至極限低頻，如果繼續(xù)增加支節(jié)長度，諧振點(diǎn)將偏移到高頻（大于f0）；圖10（b）為天線輸入導(dǎo)納實(shí)部在不同支節(jié)長度下的頻率變化曲線，從圖中可以看出，支節(jié)長度較小時(shí)，天線輸入導(dǎo)納實(shí)部變化較小，對諧振影響也較小，支節(jié)長度加大時(shí)，天線輸入導(dǎo)納實(shí)部變大，有效區(qū)間變窄。

如圖 11仿真結(jié)果表明，支節(jié)長度在 0～20 mm時(shí)，駐波帶寬不小于20 MHz，天線駐波諧振頻率可調(diào)試范圍為1.54～1.61 GHz，可調(diào)試范圍超過3倍駐波帶寬，滿足±20 MHz的調(diào)試范圍要求。支節(jié)在小于λ0/4時(shí)，支節(jié)越長，駐波諧振頻點(diǎn)越低。仿真結(jié)果同時(shí)發(fā)現(xiàn)，該方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，支節(jié)長度的增

圖10 不同支節(jié)長度天線輸入導(dǎo)納曲線Fig.10 Input admittances of the antenna with different lengths of the stub

加導(dǎo)致導(dǎo)納虛部斜率增加，使得天線駐波帶寬變窄，幸運(yùn)的是，在支節(jié)長度小于15 mm（約λ0/8）時(shí)，該影響還不是很明顯。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，建議以0.1λ0支節(jié)長度對天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以0.2λ0支節(jié)長度對天線進(jìn)行加工，使得天線加工后實(shí)際工作頻率比設(shè)計(jì)的工作頻率低，在調(diào)試過程中通過減小支節(jié)長度使天線駐波諧振頻率偏移至要求頻率。

圖11 不同支節(jié)長度天線駐波曲線Fig.11 VSWR of the antenna with different lengths of the stub

圖12為不同支節(jié)長度下（0～25 mm）天線駐波諧振點(diǎn)的方向圖，方向圖特性基本保持一致。不同支節(jié)長度下，天線在諧振點(diǎn)的增益最大相差約 0.3 dB，波束寬度相差2°。

圖12 不同支節(jié)長度天線諧振頻點(diǎn)的方向圖曲線Fig.12 Patterns of the antenna with different lengths of the stub

4 結(jié)論

本文在GPS頻段設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧的低剖面背腔縫隙天線，通過減小天線背腔厚度實(shí)現(xiàn)了天線低剖要求，通過引入可變長度的并聯(lián)開路支節(jié)實(shí)現(xiàn)了天線諧振頻點(diǎn)的偏移。仿真結(jié)果顯示，天線駐波諧振頻率可調(diào)試范圍超過了3倍帶寬，通過合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)支節(jié)長度，天線在不同諧振頻率下工作，其增益、波束寬度、駐波帶寬等特性變化較小。研究結(jié)果表明，該天線設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了天線罩和天線輻射陣面一體化設(shè)計(jì)，對蒙皮天線的發(fā)展起到了積極促進(jìn)作用。但是，本文的研究還僅是對蒙皮天線的初探，天線的小型化設(shè)計(jì)和寬帶設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步研究和展開。

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Design of a low-profile and tunable-frequency skin antenna

WEN Bin, CHEN Yiqiao
(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A low-profile and tunable-frequency GPS skin antenna was proposed. The antenna was designed based on the microstrip cavity-backed slot antenna. A tapered microstrip line transition was utilized to feed the antenna and to match the input impedance of the antenna. A low-profile design was realized by reducing the thickness of the cavity and adopting a parallel open stub tuner between the antenna and the feeding net. Changing the length of the stub could make the antenna frequency tunable. The profile height of proposed antenna is about 0.03λ and the simulation results show that, the proposed antenna has a resonant frequency offsetting of more than and at least 20 MHz VSWR (＜2) bandwidth during the frequency tuning. This work provides the technology foundation for the skin antenna design, which is suitable for the stealth aircraft antenna with narrow band and low working frequency.

low-profile; skin antenna; antenna tuning; stub tuner; slot antenna; cavity-backed antenna

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.011

TN820

A

1001-2028（2018）01-0057-05

2017-11-06

溫彬

溫彬（1984－），男，四川威遠(yuǎn)人，工程師， 碩士，主要研究方向?yàn)樘炀€輻射和散射分析等；

陳毅喬（1983－），男，四川成都人，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榈涂商綔y天線及隱身天線罩。

（編輯：陳渝生）