何其洪龔子平柯亨玉萬顯榮

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一種基于特征模理論設(shè)計(jì)的嵌入式全向共形天線

何其洪①②龔子平*①柯亨玉①萬顯榮①

①(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430079)②(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081)

特征模理論能夠?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)者展現(xiàn)關(guān)于天線工作原理的清晰物理景象。該文基于特征模理論，分析了從金屬腔中簡(jiǎn)單環(huán)結(jié)構(gòu)到“組合倒L”結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式的特征模參數(shù)以及相應(yīng)模式的輻射特性，確定了適宜作為所需天線的結(jié)構(gòu)形式，并研究了有效的激勵(lì)方式。通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種工作于UHF頻段、結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式全向共形天線，并制作了天線樣機(jī)。天線樣機(jī)直徑為中心頻率的0.26，高度為0.08，測(cè)量電壓駐波比小于2:1的帶寬為1.8%，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。驗(yàn)證了采用特征摸理論進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的方法之有效性。

全向共形天線；特征模理論；組合倒L天線

1 引言

通信、導(dǎo)航、電子偵察等領(lǐng)域往往要求天線能夠與移動(dòng)載體平臺(tái)實(shí)現(xiàn)表面共形，從而獲得良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，并達(dá)到減小雷達(dá)散射截面(RCS)的目的。尤其在隱身飛機(jī)設(shè)計(jì)中，往往需要低RCS的全向天線，而可安裝于飛機(jī)水平部位(機(jī)背或機(jī)腹部)的全向共形天線是一個(gè)較好的選擇，是共形天線設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，已經(jīng)受到了越來越多研究人員的關(guān)注。

在文獻(xiàn)報(bào)道中，主要有3種形式的全向共形天線。第1種形式是環(huán)縫天線：其電壓駐波比小于2的帶寬可達(dá)18%、天線的直徑約為0.72~ 1.04。第2種形式是單極貼片天線[5–10]：其電壓駐波比小于2的帶寬可達(dá)32.4%，其最大尺寸約為0.72~1.00。第3種形式是單極或盤錐天線的變形[11]：其電壓駐波比小于2的帶寬為43%，其直徑約為0.76。以上3種天線形式有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即天線直徑電尺寸較大，難以應(yīng)用于超短波(UHF)頻段。

特征模理論最早由Garbacz在1971年首次提出[12]，由Harrington等人[13,14]整理完善，并在近年來重新興起的一種分析方法，它與應(yīng)用較為廣泛的矩量法結(jié)合解析本征模理論求解電磁問題。雖然特征模理論在解決電磁問題過程并不比矩量法快速，但具有更為清晰的物理景象，特征模理論的應(yīng)用之一，就是根據(jù)特征模分析得到的模式輻射能力信息指導(dǎo)天線設(shè)計(jì)[15,16]。其設(shè)計(jì)過程有別于傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)過程，分為兩個(gè)階段：模式分析階段和激勵(lì)階段，模式分析階段不考慮如何饋電而只考慮特定結(jié)構(gòu)的模式及模式輻射特性；饋電設(shè)計(jì)在激勵(lì)階段進(jìn)行。這種方式有助于深入地理解天線的工作原理，有利于設(shè)計(jì)新的天線形式。

本文基于特征模理論，在天線尺寸嚴(yán)格限制的前提條件下，設(shè)計(jì)了一種工作于UHF頻段、形式新穎且結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式全向共形天線。

2 特征模分析

2.1單環(huán)(加腔)的特征模分析

為了實(shí)現(xiàn)全向天線共形，根據(jù)電磁場(chǎng)理論的對(duì)偶原理，首先考慮與偶極子天線對(duì)偶的環(huán)形天線。但環(huán)天線直接用作共行天線，易受到平臺(tái)內(nèi)臨近天線的其它設(shè)備影響，不宜直接用作共形天線，故將環(huán)放入金屬腔體內(nèi)，如圖1(a)所示。

為了考察該結(jié)構(gòu)能否成為一個(gè)全向天線，分析計(jì)算了單環(huán)(加腔)結(jié)構(gòu)6個(gè)主要模式(圖2(a))，限于文章的篇幅，本文只給出了具有全向輻射的模式(模式3和模式4)遠(yuǎn)場(chǎng)圖，如圖2(b)所示。

從圖2可以看出，單環(huán)(加腔)結(jié)構(gòu)存在2個(gè)具有水平全向輻射的模式(模式3和模式4)，但其值都遠(yuǎn)小于1，表明這兩個(gè)模式難以形成有效輻射，故這種結(jié)構(gòu)不宜作為全向天線形式。

2.2單環(huán)(加腔)加短路釘?shù)奶卣髂７治?/p>

考慮單環(huán)(加腔)結(jié)構(gòu)的電尺寸仍較大，為進(jìn)一步減小諧振所需尺寸，在環(huán)與腔底部之間加入短路釘，并進(jìn)行特征模分析，圖3給出了典型模式電流、模式遠(yuǎn)場(chǎng)和分析曲線。

實(shí)際上，在環(huán)和腔底部之間加上短路釘(包括后文的雙環(huán)加短路釘)，在特征模分析結(jié)果中包含兩種全向模：其中一個(gè)全向模的電流主要分布在環(huán)上，稱之為“環(huán)?！?。但因“環(huán)?！钡慕Y(jié)構(gòu)尺寸(即環(huán)周長)并沒有變化，所以圖3(c)中“環(huán)模”曲線幾乎不變：保持遠(yuǎn)小于1，難以形成有效輻射；另一個(gè)全向模的典型電流分布如圖3(b)所示，其電流分布特點(diǎn)為：

(1)模式電流主要分布在環(huán)和短路釘上(圖3(b)中，箭頭長度和方向分別表示電流的大小和方向)。

(2)短路釘上電流和環(huán)上電流形成一個(gè)倒L形電流分布，整個(gè)模式電流分布形成一個(gè)組合倒L結(jié)構(gòu)，故稱其為“組合倒L?！?，簡(jiǎn)稱為“倒L模”。

2.3雙環(huán)(加腔)加短路釘?shù)奶卣髂７治?/p>

為了進(jìn)一步提高“倒L?！钡腗S幅度，在原來單環(huán)的內(nèi)部，再增加一個(gè)環(huán)，并保持每個(gè)環(huán)只有2個(gè)短路釘，如圖1(d)所示。計(jì)算得到的典型模方向圖、模電流分布與圖3(a)、圖3 (b)相似。

圖1 天線結(jié)構(gòu)的演變過程

圖2 單環(huán)(加腔)的特征模分析結(jié)果

圖3 環(huán)加短路釘結(jié)構(gòu)的特征模分析結(jié)果

3 模式激勵(lì)

通常情況下，選擇在模式電流最大點(diǎn)激勵(lì)。但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在模式最大點(diǎn)激勵(lì)時(shí)的端口阻抗很低(如圖4(a))，難以阻抗匹配。故嘗試在腔體內(nèi)部中心用探針以耦合方式激勵(lì)，即通過電場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)耦合饋電，調(diào)整腔高度和環(huán)周長來改變諧振頻率到所需頻率。采用的探針結(jié)構(gòu)形式為倒錐結(jié)構(gòu)，其高度為、頂部半徑為、錐底部與腔底部間隙為，探針結(jié)構(gòu)如5所示。

計(jì)算得到的特征模式相關(guān)結(jié)果如圖6所示。從圖6看出：當(dāng)用探針耦合方式饋電時(shí)，“倒L?！碧幱谥C振狀態(tài)，在556 MHz時(shí)取值約為1，表明該模式在556 MHz諧振效果最好；此時(shí)整個(gè)天線上激勵(lì)的電流幾乎只由“倒L?！睒?gòu)成，圖中模式3為“倒L?！薄Ｋ?，采用探針耦合饋電的方式能夠有效地激勵(lì)“倒L?！薄Ｍ瑫r(shí)計(jì)算了探針耦合饋電的寬口阻抗，如圖4(b)所示。從該圖看出，天線端口阻抗已被有效提高，易于實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配。

4 天線設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

4.1天線設(shè)計(jì)

根據(jù)前述分析結(jié)果，采用探針耦合饋電的方式，設(shè)計(jì)的天線尺寸為：(為0.26)。(為0.08),,，短路釘采用半徑為2 mm金屬圓柱。所有的金屬環(huán)用厚度為1 mm的環(huán)氧玻璃鋼(FR4)單面印制板刻蝕而成。加工的天線樣機(jī)如圖7(a)所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在沒有金屬底板的情況下，本文設(shè)計(jì)的天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的半波對(duì)稱振子天線相似。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線作為共形天線的能力，加工制作了天線樣機(jī), 如圖7(a)所示。并將天線樣機(jī)嵌入式安裝在尺寸為1 m×1 m的方形鋁板中心，測(cè)試了天線的電壓駐波比和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，如圖7(b)~圖7(d)。

從圖7可以看出，天線的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，且天線嵌入共形安裝后，具有較好的水平全向輻射能力，方位面不圓度小于2 dB；天線11參數(shù)小于-10 dB的百分比帶寬為1.8%(覆蓋了546~556 MHz)。

圖4 天線端口輸入阻抗

圖5 探針饋電示意圖

5 結(jié)束語

本文基于特征模理論，分析計(jì)算了幾種位于金屬腔內(nèi)部的環(huán)加短路釘結(jié)構(gòu)的模式諧振情況，設(shè)計(jì)出一種形式新穎的全向共形天線，加工制作了樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好。所設(shè)計(jì)的天線尺寸：直徑為0.26，高度為0.08，匹配帶寬為1.8%。因此，本文設(shè)計(jì)的全向共形天線適合用于嚴(yán)格限制天線尺寸且?guī)捳臋C(jī)載、彈載平臺(tái)。

特征模特性只與研究對(duì)象的形狀、大小、頻率有關(guān)，而與激勵(lì)無關(guān)；特征模理論分析的結(jié)果揭示不同結(jié)構(gòu)的輻射能力信息，有助于天線的研發(fā)工作。利用特征模理論進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的過程有別于傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)過程：在模式分析階段不考慮饋電而專注于結(jié)構(gòu)形式；在模式激勵(lì)階段再考慮饋電。本文正是基于特征模理論分析的信息，先找出適合作為全向天線的“組合倒L?！?，然后設(shè)計(jì)出有效激勵(lì)形式進(jìn)行饋電，最終研制出一種結(jié)構(gòu)緊湊、新穎的全向共形天線，驗(yàn)證了利用特征模式理論設(shè)計(jì)天線的可行性與有效性。從所設(shè)計(jì)的天線特征模分析結(jié)果來看，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖帶寬遠(yuǎn)大于阻抗匹配帶寬，下一步的研究工作將嘗試提高該天線的匹配帶寬。

圖6 探針耦合饋電激勵(lì)“倒L?！钡奶卣髂７治鼋Y(jié)果曲線

圖7 天線樣機(jī)照片及測(cè)試結(jié)果

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An Embedded Omnidirectional Conformal Antenna Based on Theory of Characteristic Modes

HE Qihong①②GONG Ziping①KE Hengyu①WAN Xianrong①

①(,,430079,)②(54,050081,)

The Theory of Characteristic Modes (TCM) provides the antenna designer with physical insight regarding the antenna operating principles. Based on TCM, this paper analyzes in detail the characteristic modes properties of the several transfigurations of metal ring in a cylinder cavity. These properties give information about the radiation ability of every structure. It is very helpful to choose the very right structure as the desired antenna. This paper also gives an effective feed for the combined Inverse-L mode. The manufactured antenna is measured. The measured results show that the band width is 1.8% for VSWR<2, the diameter is 0.26, the height is 0.08, and the measured results agree well with the simulated ones. It is verified that the design method based on TCM is very effective.

Omnidirectional conformal antenna; Theory of Characteristic Modes (TCM); Combined inverse-L antenna

TN823

A

1009-5896(2016)11-2977-05

10.11999/JEIT160089

2016-01-19；改回日期：2016-08-01,；

2016-09-30

龔子平 zpgong@whu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(61331012, 61371197, 41333106)

The National Natural Science Foundation of China(61331012, 61371197, 41333106)

何其洪： 男，1974年生，博士生、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姶庞?jì)算和天線設(shè)計(jì).

龔子平： 男，1977年生，講師，研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)、無線電海洋遙感.

柯亨玉： 男，1957年生，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姴▊鞑ヅc天線、電磁場(chǎng)理論與應(yīng)用等.