S/C波段低剖面圓極化共口徑天線

李建峰 王野 孫保華 王海鵬 張聞濤 王鵬飛

摘 要： 作為彈載系統(tǒng)發(fā)射和接收電磁波的裝置，彈載天線的功能日益豐富，設(shè)計的共口徑天線可以提高導(dǎo)彈導(dǎo)引部的口徑利用率，同時有效避免天線間的輻射干擾。本文以導(dǎo)彈導(dǎo)引天線為應(yīng)用背景，基于微帶圓極化天線理論，高頻C波段部分對矩形微帶天線采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，低頻S波段部分對十字微帶天線采用正交雙饋技術(shù)，采用嵌套式的共口徑天線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)共口徑天線設(shè)計。仿真及實驗結(jié)果表明，天線整體尺寸為63 mm×63 mm×1.574 mm，在4.87～5.13 GHz和2.49～2.51 GHz頻段內(nèi)回波反射系數(shù)小于-10 dB，高頻天線的相對帶寬為8.1%，低頻天線的相對帶寬為0.4%。兩天線在中心頻率處最大輻射方向的軸比均小于3 dB。實驗數(shù)據(jù)表明設(shè)計應(yīng)用于彈載天線導(dǎo)引部的共口徑天線可以明顯提高導(dǎo)引部的口徑利用率，同時有效消除由互耦導(dǎo)致的各天線輻射特性的惡化。

關(guān)鍵詞：圓極化；共口徑；雙頻；低剖面；微帶天線；電磁波；彈載系統(tǒng)

中圖分類號： TJ765

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2022）05-0114-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0059

0 引? 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求武器裝備上盡可能多地集成諸如通信、跟蹤、制導(dǎo)、敵我識別等多功能的天線系統(tǒng)，用來滿足對不同頻段、不同功能的通信需求，以達到提高口徑利用率，增加通信容量的目的。

設(shè)計低剖面、小尺寸的共口徑天線系統(tǒng)可有效提高彈載系統(tǒng)的空間利用率，然而將多副天線安裝于固定且緊湊的空間之內(nèi)，天線之間會產(chǎn)生一定程度的耦合，從而導(dǎo)致天線性能惡化。如何合理地消除或避免不同功能天線間的相互耦合，是共口徑天線設(shè)計中亟待解決的難點問題。

根據(jù)共口徑天線的空間布局、結(jié)構(gòu)特點以及解決天線間相互干擾的思路等差異，常見的共口徑天線可以分為四種。

第一種，高低頻稀疏陣組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點是在單個尺寸足夠大的天線單元或者天線陣列的局部位置設(shè)計另外一副不同類型的天線。Zhuo和Wei等分別設(shè)計了P/Ku共口徑微帶天線和X/Ka波段的共口徑天線陣，高頻天線只占據(jù)低頻波段天線單元/天線陣的中間極小的空間，因此，高頻段天線對低頻段天線的輻射遮擋可以忽略不計，從而避免了天線間的干擾［1-2］。

第二種，部分結(jié)構(gòu)復(fù)用。Zhang和Wu等提出了雙頻化共口徑天線［3-4］。在保證高頻天線正常工作的前提下，將結(jié)構(gòu)整體作為低頻輻射單元向外輻射低頻電磁波。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)通過輻射體復(fù)用，實現(xiàn)了較高的口徑效率。

第三種，基于濾波結(jié)構(gòu)。濾波結(jié)構(gòu)有電路濾波和頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）場濾波兩種方式。Liu和Sun等提出了基于電路濾波結(jié)構(gòu)的共口徑天線［5-6］，分別通過在饋電線附近加載“C”型和“L”型濾波結(jié)構(gòu)和偶極子臂截斷處加載濾波電路的形式，降低了兩個頻段天線間的耦合，阻斷高頻天線在低頻天線上形成的高頻感應(yīng)電流，保證了兩個頻段天線能夠獨立工作。

2019年， Zhu等利用場濾波結(jié)構(gòu)（FSS），設(shè)計了一種應(yīng)用于無線通信的共口徑基站天線［7］。高低頻天線間插入了FSS（對低頻天線呈現(xiàn)透射特性，對高頻天線則呈現(xiàn)

帶阻特性），保證了天線間的良好隔離度。

第四種，基于交織結(jié)構(gòu)。常見有兩種設(shè)計思路：一種為開窗式的設(shè)計思路，即通過在低頻天線上開窗讓高頻天線輻射的電磁波能夠透過，同時還不影響低頻天線的輻射特性［8-9］；另一種則為嵌套式的設(shè)計思路，通過將低頻天線嵌入高頻天線的陣列間隙中，達到抑制高低頻天線間由于耦合導(dǎo)致的遠場輻射特性的惡化［10-12］。

結(jié)合目標工作頻段和裝配要求，本文采用嵌套式的共口徑天線結(jié)構(gòu)，將S波段和C波段天線單元置于同一口徑面內(nèi)。首先，通過優(yōu)化尺寸和結(jié)構(gòu)，設(shè)計出滿足指標要求的共口徑天線單元，并針對兩個頻段的天線設(shè)計對應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)；最后，加工并測試了天線樣機，實驗和仿真結(jié)果展現(xiàn)了較高的吻合度，滿足了設(shè)計要求。

1 S/C波段天線單元設(shè)計

1.1 C波段圓極化天線的設(shè)計

（1） C波段圓極化天線單元設(shè)計

圓極化天線可以通過在微帶矩形輻射貼片上切角處理，來激勵產(chǎn)生圓極化波［13］。在Ansoft HFSS軟件中建模仿真，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)基板采用Rogers RO5880，相對介電常數(shù)εr=2.2，其厚度為h。

在工作頻帶內(nèi)（4.87～5.13 GHz），優(yōu)化天線單元模型尺寸，wp =19.5 mm，a =3 mm，wf=1 mm，wg=40 mm，h =0.787 mm，使天線諧振中心頻率處于5 GHz。該天線單元頻帶內(nèi)的回波反射系數(shù)隨頻率變化曲線及其在最大輻射方向的軸比如圖2～3所示。

由圖可知，采用100 Ω的理想端口對天線單元饋電，天線端口回波反射系數(shù)S11帶寬達4.7%。然而，就理論而言，這種單純通過調(diào)節(jié)切角尺寸來調(diào)節(jié)阻抗帶寬的形式，不可避免地影響了天線的圓極化特性。天線單元在最大輻射方向的軸比達到8 dB，導(dǎo)致其圓極化性能急劇惡化。為了改善C波段天線的圓極化特性，對其進行了旋轉(zhuǎn)饋電的設(shè)計。

（2） C波段順序旋轉(zhuǎn)饋電的圓極化天線的設(shè)計

采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)［14］可以使任意極化方式的天線單元輻射有圓極化波，從而有效地改善天線的軸比帶寬。如圖4所示，天線結(jié)構(gòu)由2×2個天線單元，按順時針排列組成。該結(jié)構(gòu)布局形式上更加對稱緊湊，同時為放置低頻天線及饋電結(jié)構(gòu)預(yù)留出了更加富余的空間。本文所使用的饋電網(wǎng)絡(luò)及等效電路圖分別如圖5所示。Zin表示輸入端口1的輸入阻抗，Z0表示端口2～5的輸出阻抗對應(yīng)著天線單元的輸入阻抗。每個端口等功率分配端口輸入的能量，Z8是為了用阻抗變換段調(diào)節(jié)Zin1與輸入阻抗Zin的匹配，因此，得到各阻抗變換段具體的阻抗：Z8=Zin1Zin，Z2=1/（3Z0），Z4=1/（2Z0），Z6=Z0。在這個饋電網(wǎng)絡(luò)中的四個輸出端口，其中Z2，Z4，Z6三段傳輸線實現(xiàn)了順序旋轉(zhuǎn)饋電，各輸出端口依次相位相差90°，而Z2，Z4，Z6，Z8則共同作用為阻抗變換線，最終該饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各端口等功率，相位依次滯后90°的能量輸出。圖6所示的S參數(shù)結(jié)果表明，與單天線單元相比，2×2的圓極化天線組合的回波反射系數(shù)在C波段工作頻帶內(nèi)均小于-10 dB，同時四個端口之間的隔離度均大于20 dB，具有良好的隔離度，抑制了天線單元間的互耦影響。

如圖7所示，順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)的圓極化天線，在中心頻率5 GHz，xoz面和yoz面內(nèi)，軸比參數(shù)在主方向±30°目標范圍內(nèi)均小于3 dB。

1.2 S波段正交雙饋圓極化天線的設(shè)計

相比C波段天線單元，S波段微帶貼片尺寸較大，不加處理地將高低頻天線直接置于同一口徑中，勢必會由于遮擋等因素引起較強的互耦，從而導(dǎo)致天線性能惡化。因此，有必要在共口徑天線的結(jié)構(gòu)上做調(diào)整優(yōu)化。文獻［6-7］采用的加載濾波結(jié)構(gòu)方法，可以有效去除耦合，但會增加設(shè)計難度和制造成本。采用高低頻嵌套結(jié)構(gòu)，選取寬度合適的S波段十字貼片天線，嵌套于C波段天線空隙，可以較好地避免遮擋帶來的耦合問題。

十字貼片正交雙饋圓極化微帶天線采用雙層Rogers RO5880介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)εr=2.2，兩層板厚度h =0.787 mm，采用非接觸微帶線耦合饋電。其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，十字貼片位于最上層介質(zhì)板的上表面，正交的微帶饋電線夾于兩層介質(zhì)板之間，下層介質(zhì)板的下表面為微帶天線和微帶饋電網(wǎng)絡(luò)共同的金屬地板。十字貼片的寬度wp=4.5 mm，長度lp=42 mm，饋電微帶線寬wf=0.5 mm，并延伸到貼片下1 mm處，介質(zhì)板長寬均為wg=60 mm。

沿x軸和y軸的貼片有相同幅度激勵時，十字貼片會產(chǎn)生兩個正交的線極化波；同時，若激勵相位又相差90°，便會產(chǎn)生兩個相互正交、相位相差90°的線極化波，在遠場疊加后形成圓極化輻射特性。優(yōu)化后的回波反射系數(shù)如圖9所示，在2.4～3.0 GHz頻段內(nèi)有兩個諧振點，分別對應(yīng)微帶天線的兩個工作模式。位于2.5 GHz的諧振點，端口間隔離度基本小于-20 dB，而在2.8 GHz時，端口隔離度僅為1.5 dB，性能顯著惡化。天線在2.5 GHz頻段能夠表現(xiàn)出良好圓極化輻射特性。

通過優(yōu)化饋線延伸到十字貼片下的長度lf，得到了S波段最大輻射方向的軸比，如圖10所示。由于兩個極化方向的電流存在交疊，天線在最大輻射方向的軸比并不能得到理想的0 dB，而是在1.1 dB左右，但結(jié)果能較好地滿足圓極化輻射。在2.5 GHz，天線遠場左旋及右旋方向圖在xoz面和yoz面如圖11所示，主方向極化鑒別率大于20 dB，具有較好的圓極化輻射特性。

2 S/C波段共口徑天線設(shè)計

基于以上兩種頻段的天線單元，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊

的S/C波段共口徑圓極化天線。天線整體采用雙層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布局如圖12所示。S波段低頻十字貼片位于上層介質(zhì)板上表面，C波段高頻順序旋轉(zhuǎn)饋電圓極化微帶天線和S波段天線的正交饋電的微帶線位于中間夾層，最下層面為金屬接地板。

雙層介質(zhì)基板采用Rogers RO5880，相對介電常數(shù)εr=2.2，兩層介質(zhì)基板厚度h =0.787 mm。優(yōu)化后的天線參數(shù)：S波段十字貼片寬度wpl=4.6 mm，長度lpl=42 mm，其微帶饋電線線寬wfl=0.5 mm，饋線延伸到貼片下的長度lf1=1 mm；C波段微帶天線方形貼片長和寬wph=19.3 mm，倒角長度a =1.7 mm，饋線wfh=0.8 mm；兩副天線的共用接金屬地板長寬均為wg=63 mm。

C波段天線的回波反射系數(shù)和端口隔離度如圖13（a）所示，天線帶寬（S11＜-10 dB）為4.87～5.13 GHz，相對帶寬為5.4%，端口間隔離度均小于-13 dB；S波段天線的回波反射系數(shù)和端口隔離度如圖13（b）所示，天線帶寬（S11＜-10 dB）為2.49～2.51 GHz，相對帶寬為0.4%，端口間隔離度均小于-20 dB；C波段和S波段天線端口間隔離度在均小于-22 dB。共口徑后，各天線依然保持了較好的性能，兩個天線間的耦合影響也較小。

C和S波段天線在中心頻率處的軸比如圖14所示?？梢钥闯?，C波段天線在xoz和yoz兩個平面內(nèi)的軸比都具有很好的一致性，在目標輻射角度±30°范圍內(nèi)軸比小于3 dB，具有良好的圓極化輻射特性；S波段天線在xoz和yoz兩個平面內(nèi)軸比具有良好的一致性，且在±60°范圍內(nèi)軸比小于3 dB。 S/C波段共口徑天線的歸一化遠場輻射方向圖如圖15所示，仿真及實測結(jié)果表明，無論在C波段還是S波段，均未產(chǎn)生畸變，且展示了較好的一致性，進一步驗證了將低頻天線嵌入高頻天線的間隙中避免低頻天線對高頻天線遮擋的有效性。

3 結(jié)? 論

本文以導(dǎo)彈導(dǎo)引部共口徑天線為應(yīng)用背景，設(shè)計了C波段順序旋轉(zhuǎn)饋電的圓極化天線和S波段正交雙饋圓極化天線。該天線通過順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)提高了阻抗匹配帶寬，合理利用了高頻天線的十字間隙，將十字貼片放置于十字間隙中，減小了高低頻天線間的互耦，實現(xiàn)了S波段和C波段兩天線的共口徑設(shè)計，消除由于天線間互耦導(dǎo)致的各天線輻射特性的惡化，提高了口徑利用率。仿真和實驗結(jié)果展示了該天線良好的性能：在S/C波段內(nèi)S11帶寬分別達到40 MHz和270 MHz；軸比分別在主方向±30°和±60°范圍內(nèi)小于3 dB；同時，各個端口間的隔離度在S/C波段均小于-13 dB， 適合在緊湊空間內(nèi)共口徑工作。

參考文獻：

［1］ Zhuo S G， Chio T H. A Wideband， Low Profile P-and Ku-Band Dual Polarized Shared Aperture Antenna［C］∥International Symposium on Antennas and Propagation （ISAP）， 2012.

［2］ Wei M， Deng H， Sun H J， et al. Design of an X/Ka Dual-Band Co-Aperture Broadband Microstrip Antenna Array［C］∥IEEE International Conference on Microwave Technology & Computational Electromagnetics， 2011.

［3］ Zhang J F， Cheng Y J， Ding Y R， et al. A Dual-Band Shared-Aperture Antenna with Large Frequency Ratio， High Aperture Reuse Efficiency， and High Channel Isolation［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2019， 67（2）： 853-860.

［4］ Wu J， Wang C， Guo Y X. Dual-Band Co-Aperture Planar Array Antenna Constituted of Segmented Patches［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2020， 19（2）： 257-261.

［5］ Liu Y， Wang S H， Li N， et al. A Compact Dual-Band Dual-Polari-zed Antenna with Filtering Structures for Sub-6 GHz Base Station Applications［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2018， 17（10）： 1764-1768.

［6］ Sun H H， Ding C， Zhu H， et al. Suppression of Cross-Band Scattering in Multiband Antenna Arrays［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2019， 67（4）： 2379-2389.

［7］ Zhu Y F， Chen Y K， Yang S W. Decoupling and Low-Profile Design of Dual-Band Dual-Polarized Base Station Antennas Using Frequency-Selective Surface［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2019， 67（8）： 5272-5281.

［8］ Shafai L L， Chamma W A， Barakat M， et al. Dual-Band Dual-Polarized Perforated Microstrip Antennas for SAR Applications［J］.? IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2000， 48（1）： 58-66.

［9］ Vetharatnam G， Kuan C B， Teik C H. Combined Feed Network for a Shared-Aperture Dual-Band Dual-Polarized Array［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2005， 4： 297-299.

［10］ 張麗娜. 介質(zhì)諧振器天線與寬帶平面天線［D］. 上海： 上海大學(xué)， 2011.

Zhang Lina. Dielectric Resonator Antennas and Wideband Planar Antennas［D］. Shanghai： Shanghai University， 2011. （in Chinese）

［11］ Zhong S S， Sun Z， Kong L B， et al. Tri-Band Dual-Polarization Shared-Aperture Microstrip Array for SAR Applications［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2012， 60（9）： 4157-4165.

［12］ Mao C X， Gao S， Wang Y， et al. Dual-Band Circularly Polarized Shared-Aperture Array for MYMCMYM-/MYMXMYM -Band Sa-tellite Communications［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2017， 65（10）： 5171-5178.

［13］ 鐘順時. 微帶天線理論與應(yīng)用［M］. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 1991.

Zhong Shunshi. Microstrip Antenna Theory and Application ［M］. Xian： Xidian University Press， 1991.（in Chinese）

［14］ Huang J. A Technique for an Array to Generate Circular Polarization with Linearly Polarized Elements［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1986， 34（9）： 1113-1124.

S/C Band Low Profile Circularly Polarized Shared-Aperture Antenna

Li Jianfeng1，Wang Ye1*，Sun Baohua2，Wang Haipeng2， Zhang Wentao3，Wang Pengfei3

（1. Lishui University，Lishui 323000，China；2. Xidian University，Xian 710071，China；

3. China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Abstract： As a device for missile-borne system to transmit and receive electromagnetic waves， the functions of missile-borne antenna are becoming more and more abundant. The shared-aperture antenna can improve the aperture utilization rate of missile seeker and can avoid radiation interference between antennas. This paper proposes a low profile circularly polarized shared-aperture antenna for missile seeker antenna based on the theory of microstrip circular polari-zed antenna. More specifically， the sequential rotation feed technology is adopted for the rectangular microstrip antenna in the high-frequency C-band part， while the orthogonal double feed technology is adopted for the cross microstrip antenna in the low-frequency S-band part. The nested shared-aperture antenna structure is adopted to realize the design of shared aperture antenna of 63 mm×63 mm×1.574 mm. The reflection coefficient is less than -10 dB in the frequency bands of 4.87～5.13 GHz and 2.49～2.51 GHz. The relative bandwidth of high-frequency antenna is 8.1% and that of low-frequency antenna is 0.4%. The axial ratio of the two antennas in the maximum radiation direction at the center frequency is less than 3 dB. The experimental data show that the shared-aperture antenna designed and applied to the missile-borne antennacan significantly improve the aperture utilization of the missile seeker， and can also eliminate the deterioration of the radiation performances caused by the mutual coupling of antennas.

Key words： circular polarized；shared-aperture；dual-frequency；low profile；microstrip antenna；electromagnetic wave；missile-borne system

收稿日期：2022-03-24

基金項目：航空科學(xué)基金項目（20200001081007）

作者簡介：李建峰（1981-）， 男， 河南滎陽人， 博士， 副教授。

通信作者：王野（1980-），男，吉林吉林人，博士， 副教授。