低剖面、頻率可重構(gòu)偶極子天線研究

梁 濤，俞亞慶

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

0 引言

在移動通信應用中，第二代移動通信系統(tǒng)作為我國分布最廣、基站數(shù)量最多的通信系統(tǒng)，支持撥號語音通話、低速上網(wǎng)等功能，至今具有重要地位。第二代移動通信系統(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，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。

對于雷達系統(tǒng)來說，工作頻率越高，其測量精度越高；而工作頻率越低，其目標搜索能力越強[3]。例如，P波段雷達的工作波長與飛機載體可比擬，該特性將使隱身飛機常用的修形、涂覆吸波材料以及加載超材料等技術手段失效，故P波段雷達常用于遠距離警戒以及針對隱身目標的搜索。L波段雷達的工作波長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跟蹤。同時，GPS系統(tǒng)作為廣泛應用的定位系統(tǒng)，其兩個工作頻率均在L波段(主頻率1 575.42 MHz，次頻率1 227.6 MHz)[4]。在機載雷達應用中，載機可提供的最大載重、額定功率以及空間存在較為嚴苛的限制。而機載低剖面、頻率可重構(gòu)雷達可利用空時處理技術，以單套系統(tǒng)完成兩套甚至多套系統(tǒng)的功能，進而大幅度節(jié)約載機資源。

天線作為基站系統(tǒng)與雷達系統(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波段間實現(xiàn)可重構(gòu)為例，相應的低剖面、頻率可重構(gòu)天線在這一背景下存在一定的需求。

偶極子天線作為機載雷達的最常用天線形式之一[5]，具有結(jié)構(gòu)簡單、易設計、輻射特性穩(wěn)定等優(yōu)點。針對該天線形式有多種改進方法，其中包括低剖面設計與頻率可重構(gòu)設計。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的距離限制，使得在此基礎上的可重構(gòu)設計會出現(xiàn)低、高頻理論距離不一致的矛盾[6-8]。通過采用人工磁導體(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]。但是在公開報導的多頻或可重構(gòu)設計中，通常沒有考慮高頻段AMC的反射相位，這將可能導致天線在高頻段內(nèi)出現(xiàn)增益損失或方向圖畸變[14-15]。

本文通過將雙極化偶極子天線與AMC結(jié)構(gòu)以及PIN二極管進行一體化設計，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計。首先，根據(jù)偶極子天線的工作原理對其振子臂進行分段設計，并利用PIN二極管的通斷控制特性實現(xiàn)了天線的頻率可重構(gòu)功能。隨后，針對L波段設計了緊湊型AMC反射板，并結(jié)合考慮AMC在低、高頻的反射相位設計了合理的天線高度。最終，針對給出的天線設計進行了仿真實驗與對比分析。

1 天線的可重構(gòu)設計

常用的頻率可重構(gòu)方法包括通過開關器件實時改變天線的有效工作長度[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的天線工作狀態(tài)；圖1(b)為偏置5 V直流電壓時的工作狀態(tài)。

(a)PIN二極管斷開狀態(tài)

(b)PIN二極管導通狀態(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)的振子臂長度相關，故通過PIN二極管來調(diào)節(jié)諧振長度就可以實現(xiàn)天線的頻率可重構(gòu)特性。

2 低剖面原理以及AMC設計

當偶極子天線安裝于金屬載體上時，其后向輻射場經(jīng)由反射后會與前向輻射場進行疊加，而疊加的狀態(tài)取決于反射場的幅度及其與前向輻射場之間的相位差。由于偶極子天線前向與后向輻射場的幅度相等，故當反射場與前向輻射場同相疊加時，天線遠區(qū)場增益方向圖的增益在主輻射方向上將達到最高；而當其反相相消時，方向圖在主輻射方向上將發(fā)生裂瓣。由于電磁波經(jīng)由金屬板反射后會產(chǎn)生180°的相位差，一般情況下為了保證反射場與前向輻射場同相疊加，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。

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AMC處于諧振工作狀態(tài)時，其表面阻抗遠Zs大于空間波阻抗η，故電磁波入射其上后會表現(xiàn)出接近0°的反射相位特性。此時，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，借助全波仿真軟件ANSYS HFSS 15.0，對AMC進行了仿真設計，如圖3所示。

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

設計中，介質(zhì)采用的是Rogers 5880材料，相對介電常數(shù)為2.2。當AMC的結(jié)構(gòu)參數(shù)為L1=79.5 mm，L2=78 mm，L3=39 mm時，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波段設計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，天線設計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 天線的仿真實驗及分析

將4×4規(guī)模的AMC結(jié)構(gòu)設置為反射板，2個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)見圖1，相關仿真計算工作同樣借助于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的仿真計算工作是在無限周期條件下得出，但實際設計中會存在截斷誤差并導致工作頻段發(fā)生偏移，故需要對其進行調(diào)整。當最終的結(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，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 設計天線的反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficient of designed antenna

可以看出，通過PIN二極管的通斷狀態(tài)來改變能量諧振區(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)所設計的天線在輻射特性上的優(yōu)勢，這里將采用純金屬反射板的設計作為對比天線，如圖7所示。當對比天線的輻射體距離反射板的高度為115 mm時，其P波段的輻射方向圖在主輻射方向上具有最大增益。這里分別就設計天線與對比天線工作在0.64 GHz和1.7 GHz時的輻射方向圖進行對比，如圖8所示。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

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

(a)0.64GHz時E面與H面方向圖

(b)0.64GHz時的3D輻射方向圖

(c)1.7GHz時E面與H面方向圖

(d)1.7GHz時的3D輻射方向圖圖8 輻射方向圖對比Fig.8 Radiation pattern comparison

從對比結(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計天線接近，但是其在L波段的輻射方向圖由于反射場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，同時更加容易兼顧低、高頻段的輻射特性。

4 結(jié)論

本文對低剖面、頻率可重構(gòu)的雙極化偶極子天線進行了理論分析與仿真建模。從偶極子天線輻射結(jié)構(gòu)與工作頻率的關系出發(fā)，通過引入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)的設計與加載，實現(xiàn)了天線的低剖面特性。