低剖面、頻率可重構(gòu)偶極子天線研究

梁 濤，俞亞慶

(1.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

在移動(dòng)通信應(yīng)用中，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)作為我國(guó)分布最廣、基站數(shù)量最多的通信系統(tǒng)，支持撥號(hào)語(yǔ)音通話、低速上網(wǎng)等功能，至今具有重要地位。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用TDMA(GSM系統(tǒng))或窄帶CDMA(IS-95)多址方式，其中GSM系統(tǒng)在P波段(GSM-900)和L波段(GSM-1800)均為制式工作頻段[1]。多頻天線利用多頻諧振、頻率可重構(gòu)等技術(shù)，可以大幅節(jié)約基站天線的安裝空間資源[2]。因此，若能利用一副天線同時(shí)滿足P波段和L波段的工作需求，則可將節(jié)約出的安裝空間提供給其他頻段天線使用。

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工作頻率越高，其測(cè)量精度越高；而工作頻率越低，其目標(biāo)搜索能力越強(qiáng)[3]。例如，P波段雷達(dá)的工作波長(zhǎng)與飛機(jī)載體可比擬，該特性將使隱身飛機(jī)常用的修形、涂覆吸波材料以及加載超材料等技術(shù)手段失效，故P波段雷達(dá)常用于遠(yuǎn)距離警戒以及針對(duì)隱身目標(biāo)的搜索。L波段雷達(dá)的工作波長(zhǎng)更短并具有更高的分辨率，因此常被用于中距離警戒以及目標(biāo)跟蹤。同時(shí)，GPS系統(tǒng)作為廣泛應(yīng)用的定位系統(tǒng)，其兩個(gè)工作頻率均在L波段(主頻率1 575.42 MHz，次頻率1 227.6 MHz)[4]。在機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用中，載機(jī)可提供的最大載重、額定功率以及空間存在較為嚴(yán)苛的限制。而機(jī)載低剖面、頻率可重構(gòu)雷達(dá)可利用空時(shí)處理技術(shù)，以單套系統(tǒng)完成兩套甚至多套系統(tǒng)的功能，進(jìn)而大幅度節(jié)約載機(jī)資源。

天線作為基站系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，其工作特性將直接決定系統(tǒng)的工作能力。因此，以P波段和L波段間實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)為例，相應(yīng)的低剖面、頻率可重構(gòu)天線在這一背景下存在一定的需求。

偶極子天線作為機(jī)載雷達(dá)的最常用天線形式之一[5]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易設(shè)計(jì)、輻射特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該天線形式有多種改進(jìn)方法，其中包括低剖面設(shè)計(jì)與頻率可重構(gòu)設(shè)計(jì)。但是，由于傳統(tǒng)偶極子天線在輻射體與反射板之間存在四分之一工作波長(zhǎng)的距離限制，使得在此基礎(chǔ)上的可重構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)低、高頻理論距離不一致的矛盾[6-8]。通過(guò)采用人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)結(jié)構(gòu)代替金屬反射板可以大幅度降低天線的剖面高度[9-13]。但是在公開(kāi)報(bào)導(dǎo)的多頻或可重構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常沒(méi)有考慮高頻段AMC的反射相位，這將可能導(dǎo)致天線在高頻段內(nèi)出現(xiàn)增益損失或方向圖畸變[14-15]。

本文通過(guò)將雙極化偶極子天線與AMC結(jié)構(gòu)以及PIN二極管進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，得到了一款低剖面、P波段與L波段頻率可重構(gòu)的雙極化偶極子天線設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)偶極子天線的工作原理對(duì)其振子臂進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，并利用PIN二極管的通斷控制特性實(shí)現(xiàn)了天線的頻率可重構(gòu)功能。隨后，針對(duì)L波段設(shè)計(jì)了緊湊型AMC反射板，并結(jié)合考慮AMC在低、高頻的反射相位設(shè)計(jì)了合理的天線高度。最終，針對(duì)給出的天線設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析。

1 天線的可重構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的頻率可重構(gòu)方法包括通過(guò)開(kāi)關(guān)器件實(shí)時(shí)改變天線的有效工作長(zhǎng)度[2]與加載電抗可變的元器件改變天線的等效電抗值[3]，本文采用第一種方式。單極化偶極子天線的頻率可重構(gòu)原理如圖1所示，其中黑色表示天線的電流諧振區(qū)域，圖1(a)為不偏置直流電壓時(shí)的天線工作狀態(tài)；圖1(b)為偏置5 V直流電壓時(shí)的工作狀態(tài)。

(a)PIN二極管斷開(kāi)狀態(tài)

(b)PIN二極管導(dǎo)通狀態(tài)圖1 頻率可重構(gòu)天線原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of frequency reconfigurable antenna

由于偶極子天線的工作頻率與處于諧振狀態(tài)的振子臂長(zhǎng)度相關(guān)，故通過(guò)PIN二極管來(lái)調(diào)節(jié)諧振長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)天線的頻率可重構(gòu)特性。

2 低剖面原理以及AMC設(shè)計(jì)

當(dāng)偶極子天線安裝于金屬載體上時(shí)，其后向輻射場(chǎng)經(jīng)由反射后會(huì)與前向輻射場(chǎng)進(jìn)行疊加，而疊加的狀態(tài)取決于反射場(chǎng)的幅度及其與前向輻射場(chǎng)之間的相位差。由于偶極子天線前向與后向輻射場(chǎng)的幅度相等，故當(dāng)反射場(chǎng)與前向輻射場(chǎng)同相疊加時(shí)，天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)增益方向圖的增益在主輻射方向上將達(dá)到最高；而當(dāng)其反相相消時(shí)，方向圖在主輻射方向上將發(fā)生裂瓣。由于電磁波經(jīng)由金屬板反射后會(huì)產(chǎn)生180°的相位差，一般情況下為了保證反射場(chǎng)與前向輻射場(chǎng)同相疊加，偶極子天線輻射體距離金屬反射板的理論高度為(1/4+n/2)λ0，n為自然數(shù)，如圖2所示。由此可知，同相疊加的最小距離為四分之一工作波長(zhǎng)。

圖2 偶極子天線示意圖Fig.2 Dipole antenna diagram

AMC作為一種周期性人工電磁材料，其入射波與反射波的相位差可以表示為[9]：

(1)

式中，Zs為AMC的表面阻抗，η為自由空間的波阻抗。當(dāng)AMC處于諧振工作狀態(tài)時(shí)，其表面阻抗遠(yuǎn)Zs大于空間波阻抗η，故電磁波入射其上后會(huì)表現(xiàn)出接近0°的反射相位特性。此時(shí)，同相疊加的條件為偶極子天線輻射體距離nλ0/2，n為自然數(shù)，可知最小理論高度為0。

這里以天線所在的P波段(0.60 GHz附近)作為目標(biāo)，借助全波仿真軟件ANSYS HFSS 15.0，對(duì)AMC進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 AMC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 AMC structure diagram

設(shè)計(jì)中，介質(zhì)采用的是Rogers 5880材料，相對(duì)介電常數(shù)為2.2。當(dāng)AMC的結(jié)構(gòu)參數(shù)為L(zhǎng)1=79.5 mm，L2=78 mm，L3=39 mm時(shí)，其反射相位特性在所需頻段出現(xiàn)諧振狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 AMC的反射相位特性Fig.4 Reflection phase of AMC

結(jié)果顯示，AMC結(jié)構(gòu)在0.68 GHz處表現(xiàn)為0°反射相位，而同相反射相位帶寬一般取+90°～-90°之間[10]，故同相反射帶寬為0.63～0.72 GHz。因此，若將天線的P波段設(shè)計(jì)在該同相反射頻帶內(nèi)，則天線可以具備低剖面特性。此外，可以看出AMC在L波段的反射相位分布在-180°～-210°之間，天線設(shè)計(jì)高度的取值也需要綜合考慮這一頻段的AMC反射相位特性。

3 天線的仿真實(shí)驗(yàn)及分析

將4×4規(guī)模的AMC結(jié)構(gòu)設(shè)置為反射板，2個(gè)天線輻射體正交放置并上下印刷于一塊厚度為3 mm的Rogers 5880介質(zhì)板的兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)天線的雙極化工作特性，如圖5所示。天線輻射體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖1，相關(guān)仿真計(jì)算工作同樣借助于ANSYS HFSS 15.0。

(a) 整體視圖

(b) 側(cè)視圖圖5 天線模型示意圖Fig.5 Antenna model diagram

由前文可知，AMC的仿真計(jì)算工作是在無(wú)限周期條件下得出，但實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)存在截?cái)嗾`差并導(dǎo)致工作頻段發(fā)生偏移，故需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為W1=50 mm，W2=16 mm，W3=1 mm，D1=50 mm，D2=2 mm，D3=19 mm，D4=2 mm，L1=61.5 mm，L2=58.5 mm，L3=29.25 mm，L4=160 mm，h1=5 mm，h2=32 mm時(shí)，天線在P和L波段均具有較好的工作特性，其反射系數(shù)如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)天線的反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficient of designed antenna

可以看出，通過(guò)PIN二極管的通斷狀態(tài)來(lái)改變能量諧振區(qū)域大小，可以使得天線在P波段與L波段之間實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，且P波段反射系數(shù)小于-10 dB的工作頻率范圍覆蓋0.61～0.65 GHz，而L波段覆蓋1.53～1.82 GHz。其中P波段還存在2個(gè)寄生頻段，其主要由輻射體與AMC之間的耦合諧振產(chǎn)生。

為了更加清晰地體現(xiàn)所設(shè)計(jì)的天線在輻射特性上的優(yōu)勢(shì)，這里將采用純金屬反射板的設(shè)計(jì)作為對(duì)比天線，如圖7所示。當(dāng)對(duì)比天線的輻射體距離反射板的高度為115 mm時(shí)，其P波段的輻射方向圖在主輻射方向上具有最大增益。這里分別就設(shè)計(jì)天線與對(duì)比天線工作在0.64 GHz和1.7 GHz時(shí)的輻射方向圖進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 反射系數(shù)圖7 對(duì)比天線Fig.7 Comparison antenna

(a)0.64GHz時(shí)E面與H面方向圖

(b)0.64GHz時(shí)的3D輻射方向圖

(c)1.7GHz時(shí)E面與H面方向圖

(d)1.7GHz時(shí)的3D輻射方向圖圖8 輻射方向圖對(duì)比Fig.8 Radiation pattern comparison

從對(duì)比結(jié)果中可以看出，采用純金屬反射板的天線雖然也能實(shí)現(xiàn)P波段和L波段的頻率可重構(gòu)特性，且P波段的天線輻射特性與設(shè)計(jì)天線接近，但是其在L波段的輻射方向圖由于反射場(chǎng)的相位疊加不完全甚至可能出現(xiàn)相消情況，造成天線輻射方向圖惡化的不利影響。因此，采用AMC結(jié)構(gòu)作為反射板不但可以降低約59%的天線剖面高度，同時(shí)更加容易兼顧低、高頻段的輻射特性。

4 結(jié)論

本文對(duì)低剖面、頻率可重構(gòu)的雙極化偶極子天線進(jìn)行了理論分析與仿真建模。從偶極子天線輻射結(jié)構(gòu)與工作頻率的關(guān)系出發(fā)，通過(guò)引入PIN二極管控制天線在不同狀態(tài)下的電流諧振區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了天線的頻率可重構(gòu)特性。根據(jù)限制偶極子天線剖面高度的基本理論，從改變天線反射板的反射相位的角度切入，借助AMC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加載，實(shí)現(xiàn)了天線的低剖面特性。