低剖面可承載UHF/L雙頻共口徑圓極化定向天線

劉二偉 耿軍平 王堃 程旭旭 任超凡 楊思磊 韓家偉 盧敬正 蘇達 張洋州 梁仙靈 金榮洪

（上海交通大學，上海 200240）

引 言

隨著無線傳輸的發(fā)展，尤其是多功能的機車載無線節(jié)點已成為無線自組織網絡的關鍵. 機/車載多體制通信、測控、探測等多無線系統(tǒng)多天線并存，尤其是外置天線林立，易干擾、易遮擋、隱身性差、易暴露，迫切需要與機/車殼體共形的多頻共口徑天線，且其既具有天線的輻射特性，又可直接作為車的外殼使用.

現代無線通信技術快速發(fā)展，許多新型無線接入設備不斷涌現，使得汽車或者飛機等載體必須支持多種無線通信系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)，包括不同頻段的無線電臺、對星通信系統(tǒng)等. 當多個體制的無線系統(tǒng)共存時，不同的無線服務工作在不同的頻段，所以需要在移動載體上安裝眾多不同的天線，導致車頂多種天線并存. 由于載體上只有少數特定的區(qū)域可以安置天線，為了解決這個問題，以前的很多研究都集中在多頻天線方面. 近年來，共口徑天線因其一個孔徑可覆蓋多個頻段，大大提高了口徑的利用效率，逐漸引起了大家的注意[1-6].

最常見的車載天線形式包括單極子[7-8]、螺旋天線[9-10]和印刷天線等[11-14]. 單極子和螺旋天線剖面高度與波長呈一定比例，從而導致天線的剖面較高，降低了載體的隱身性能. 印刷天線包括平面單極子、縫隙天線和環(huán)天線等，這些天線剖面較低，但是這種多頻天線往往在不同頻段的方向圖差別較大，方向圖穩(wěn)定性較差；另一方面，印刷天線受尺寸和剖面的限制，天線帶寬較窄，需要在多個頻段進行阻抗匹配.

共口徑天線可以將多個頻段或者多個極化的天線組合起來，大大提升了口徑的利用效率，近年來受到大家的廣泛關注. 和多頻天線不同，共口徑中每個頻段的天線一般都需要獨立設計，阻抗匹配更加簡單容易，且天線方向圖更加方便控制. 共口徑天線主要有三種形式：1)天線單元分散放置，利用雙頻饋電網絡對天線進行饋電[15]，這種方法對口徑的利用效率不夠充分；2)層疊法[16]，通過將高頻天線單元放置在低頻天線單元的上方，高頻天線單元的饋電可以通過同軸探針穿過在低頻天線單元中的過孔來進行饋電，但探針的引入可能會增加高低頻之間的耦合；3)嵌入法[1]，通過將多個高頻天線單元嵌入到低頻天線單元中間，天線單元都獨立設計，很容易實現寬帶效果.

本文設計了一種低剖面可承載UHF/L雙頻共口徑圓極化定向天線，天線主體采用開口縫隙的形式來實現天線的小型化和寬帶設計，利用微帶線來進行耦合饋電. 通過在低頻天線中心開槽嵌入高頻天線，實現雙頻共口徑天線. 該天線具有低剖面特性，且剖面的電尺寸很小，大大強化了載體的隱身效果；且由于天線介質填充了FR4，這種金屬與介質的混合立體結構使得該天線具有較強的承載能力，既可以與車殼體共形，也可以直接作為車殼體的一部分使用，可以應對復雜物理環(huán)境.

1 天線設計

1.1 雙頻共口徑圓極化天線設計

UHF/L雙頻共口徑天線的設計流程為：1)分別進行UHF和L波段的獨立天線設計(如圖1(a)和(b)所示)，且滿足所需的阻抗帶寬、軸比帶寬、剖面高度等要求；2)在低頻天線中嵌入高頻天線(如圖1(c)所示)，進行聯合仿真和調試，使得天線在UHF和L波段的阻抗帶寬和軸比帶寬性能指標良好、方向圖穩(wěn)定.

圖1 天線各流程設計圖Fig. 1 Antenna design process

如圖1(a)所示，嵌入到共口徑天線中的高頻天線為多層結構，微帶線和天線之間高度差為h1，填充介電常數為2.5的介質Arlon AD250c；天線和地板之間高度差為h2，填充介電常數為4.3的介質FR4. 高頻天線為旋轉對稱結構，由兩組沿x軸方向和y軸方向的對稱開口縫隙組成，饋電的同軸線和微帶線也是旋轉對稱的，可以由任一單元旋轉0°、90°、180°和270°得到. 高頻天線圓極化通過對四個同軸線順時針饋入幅度相同，相位分別為0°、90°、180°、270°的信號得到. 通過將四個開口縫隙的遠場進行矢量疊加，得到圓極化電磁波.

如圖1(b)所示，低頻天線的基本形式與高頻天線相似. 為減小共口徑時高頻天線加入所產生的影響，低頻天線在仿真時將天線中間除地板外的金屬和介質挖去W5×W5尺寸大小的洞. 低頻天線由四個旋轉對稱的開口縫隙組成，相應的饋電微帶線和同軸線也是旋轉對稱的，從而保證每一個開口縫隙的邊界條件和激勵情況是相同的. 與高頻天線類似，低頻天線也為多層結構，微帶線和天線之間為高度h3，填充介電常數為4.3的介質FR4；天線和地板之間為高度h2，填充介電常數為4.3的介質FR4. 同樣的在高度h4的FR4背面為金屬板，用來反射電磁波，從而實現天線的定向輻射. 低頻天線的圓極化同樣是通過對四個同軸線順時針饋入幅度相同，相位分別為0°、90°、180°、270°的信號合成得到.

把雙頻共口徑圓極化天線兩個頻段的天線集中在一個口徑中，結構如圖1(c)所示. 可以看出，低頻天線放置在共口徑天線的外圍，高頻天線放置在共口徑天線的中心，兩者共用一塊金屬地板，如圖1(a)所示. 文獻[17-19]中采用開口縫隙的形式及其變形來展寬天線帶寬，本文中高頻天線也采用開口縫隙的形式來得到較寬的阻抗帶寬. 開口縫隙利用微帶線來進行激勵，同時采用背饋的形式利用同軸線來對微帶線進行饋電. 圖1中每個開口縫隙一端開路，另一端短路，通過調整微帶線的饋電位置可以得到很好的匹配結果. 同時由于開口縫隙這種終端開路結構，只需要1/4個波長就可以達到天線的諧振狀態(tài)，從而實現天線的小型化.

經過仿真優(yōu)化得到天線主要參數的最佳結果如表1所示.

表1 仿真優(yōu)化得到的天線主要參數Tab. 1 Main parameters of antenna after simulation optimization mm

雙頻共口徑天線仿真回波損耗和軸比參數分別如圖2和圖3所示. 在0.316～0.383 GHz頻段內|S11|

圖2 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的|S11|Fig. 2 |S11| of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

圖3 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的軸比Fig. 3 Axial ratio of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

1.2 天線承載特性與低剖面特性分析

對于金屬面來說，入射波與反射波之間的相位差為180°，為獲得天線方向性系數的最大值，天線與地板需要保持λ/4的距離，以利用波程差來彌補相位差. 共口徑天線通過在天線與地板之間填充介電常數為4.3的高介電常數介質FR4，從而減小了天線的實際剖面高度.

此外，該共口徑天線為多層3D立體結構，填充介質為實心、一體化、厚度為50 mm的FR4，該3D混合結構具有較強的承載能力，即將一定的壓力施加于該天線時，天線形變很微弱，保證了天線的電性能基本穩(wěn)定.

1.3 雙頻天線共口徑機理分析

圖4給出了UHF波段天線在f=350 MHz時的表面電流分布. 可以看出，電流主要分布在縫隙周圍，在天線中心紅色虛線區(qū)域之內，表面電流非常小.因此在低頻天線中間開槽嵌入高頻天線，幾乎不會對低頻天線表面主要輻射的電流分布造成影響，天線方向圖和阻抗參數也幾乎不發(fā)生改變，還可以保持較高的隔離度. 圖5為高低頻天線之間的耦合系數|S21|隨頻率的變化曲線. 可以看出，|S21|在整個工作頻帶內都保持在較低的程度，均小于?20 dB，說明高低頻天線間保持較好的隔離度，天線單元之間的耦合很小.

圖4 f=350 MHz時UHF波段天線表面電流分布Fig. 4 Surface current distribution on the UHF band antenna, f=350 MHz

圖5 高低頻天線間的耦合系數Fig. 5 Coupling coefficients between the high band and low band antenna

2 天線的仿真分析

2.1 重要參數對共口徑天線的性能影響

1)L1

L1為饋電微帶線的長度，其對L波段天線的阻抗匹配很重要. 圖6為L1=28 mm、31 mm和34 mm時|S11|隨頻率變化曲線.L1=28 mm時，在1.17～1.7 GHz頻段內|S11|

圖6 參數L1對|S11|的影響Fig. 6 Influence of L1 on |S11|

2)L4

L4為饋電微帶線的長度，圖7為L4= 171 mm、181 mm和191 mm時|S11|隨頻率變化曲線.L4=171 mm時，0.36 GHz左右|S11|

圖7 參數L4對|S11|的影響Fig. 7 Influence of L4 on |S11|

經過設計優(yōu)化，共口徑天線參數的最佳尺寸如表2所示.

表2 優(yōu)化后的天線參數Tab. 2 Optimized antenna parameters mm

2.2 獨立天線與共口徑天線回波損耗對比

獨立天線可以單獨工作在UHF和L波段，圖8給出的是雙頻共口徑天線與獨立天線在UHF和L波段的|S11|仿真對比圖.

圖8 雙頻共口徑天線與獨立天線在UHF和L波段的|S11|對比Fig. 8 Comparison between the shared aperture dual band antenna and the individual antenna on |S11| at UHF and L band

在UHF波段，獨立天線在0.314～0.38 GHz頻段內|S11|

在L波段，獨立天線在1.15～1.6 GHz頻段內|S11|

3 天線實驗結果分析

最后，根據表2中的天線最佳參數加工了雙頻共口徑天線，如圖9所示. 高頻天線和低頻天線共用一塊金屬地板，高頻天線被嵌入到低頻天線中心.

圖9 天線加工實物圖Fig. 9 Fabricated prototype of the proposed antenna

3.1 回波損耗

圖10為雙頻共口徑天線在UHF和L波段|S11|的仿真與實測結果. 在阻抗帶寬0.303～0.378 GHz共75 MHz頻段內測試所得|S11|

圖10 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的|S11|仿真與測試結果Fig. 10 Comparison between the measured and simulated |S11|of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

3.2 軸 比

圖11為雙頻共口徑天線在UHF和L波段軸比的仿真與實測結果. 在軸比帶寬0.32～0.37 GHz共50 MHz頻段內測試所得軸比<3 dB，相對軸比帶寬14.5%；在軸比帶寬1.10～1.52 GHz共420 MHz頻段內測試所得軸比< 3 dB，相對軸比帶寬32%. 由于測試環(huán)境的影響，以及加工所引入的工藝誤差導致仿真與測試軸比之間存在一些誤差.

圖11 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的軸比仿真和測試結果Fig. 11 Comparison between the measured and simulated axial ratio of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

3.3 方向圖

圖12為共口徑天線在頻率為0.35 GHz時xoz面的歸一化天線方向圖. 此時天線測試所得半功率波束寬度約為66°，與仿真結果基本吻合.

圖12 f = 0.35 GHz時xoz面天線方向圖仿真與測試結果Fig. 12 Measured and simulated pattern in xoz plane at f = 0.35 GHz

圖13為共口徑天線在頻率為1.3 GHz時xoz面的歸一化天線方向圖. 此時天線測試所得半功率波束寬度約為47°，與仿真結果基本一致.

圖13 f = 1.3 GHz時xoz面天線方向圖仿真與測試結果Fig. 13 Measured and simulated pattern in xoz plane at f = 1.3 GHz

3.4 增益曲線

圖14給出了共口徑天線在UHF和L波段天線增益隨頻率的變化曲線. 在0.3～0.38 GHz頻段內，測試天線增益為?1.0～7.9 dB；在1～1.7 GHz頻段內測試天線增益約為0.4～6.8 dB，兩個頻段內測試與仿真所得天線增益曲線基本吻合.

圖14 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的增益仿真與測試結果Fig. 14 Measured and simulated gain of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

3.5 承載特性

雙頻共口徑圓極化天線加載了厚度為50 mm的FR4介質基板，具有較強的承載特性. 圖15為介質板FR4隨外加壓強變化所得到的形變曲線. 天線最大形變約為1.5 mm，即形變3%，此時介質板承受壓強約為39 MPa，即390 kg/cm2.

圖15 介質FR4隨壓強變化所發(fā)生的形變量Fig. 15 Change in the thickness of the substrate FR4 varying with the intensity of pressure

圖16為雙頻共口徑天線在UHF和L波段回波損耗隨介質板厚度的變化曲線. 分別仿真了介質板由于外界壓強導致的厚度減少0 mm、0.5 mm、1 mm和1.5 mm時回波損耗變化情況. 可以看出，隨著介質板厚度減少量的增加，天線工作頻段向高頻偏移.然而由于介質板的形變量最大僅有約1.5 mm，形變對天線回波損耗產生的變化幾乎可以忽略不計，說明該天線具有較強的承載能力.

圖16 雙頻共口徑天線在UHF和L波段的|S11|隨介質板厚度變化曲線Fig. 16 The variation of the |S11|with the thickness of the substrate of the shared aperture dual band antenna at UHF and L band

4 總 結

為解決機/車載多體制通信、測控和探測等多無線系統(tǒng)中多天線并存、耦合干擾嚴重的問題，同時為了滿足部分機/車載殼體共形天線具有較強承載能力的需求，本文設計了一種新型低剖面可承載雙頻共口徑圓極化天線. 該天線采用開口縫隙的形式，便于阻抗匹配和阻抗帶寬展寬，分別在L波段和UHF波段實現了約40.8%和21.7%的相對阻抗帶寬. 同時，利用多饋法來展寬軸比帶寬，在L波段和UHF波段實現的相對軸比帶寬分別為32%和14.5%. 天線采用FR4介質填充，介質最大厚度為最低頻率對應波長的5%. 這種金屬與介質的混合立體結構大大增強了天線的承載能力. 在測試壓力達到390 kg/cm2時，天線形變3%，天線依然能正常工作. 實測結果與仿真結果基本一致. 天線剖面總體高度為60 mm，可以與殼體共形，甚至直接作為殼體使用，具有很好的視覺隱身效果. 該天線具有薄壁、共口徑、可承載、雙頻和圓極化的特點，為車載無線通信系統(tǒng)提供了一種新穎實用的共形天線結構.