低剖面、频率可重构偶极子天线研究

梁 涛，俞亚庆

(1.海军装备部装备项目管理中心，北京 100071；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

在移动通信应用中，第二代移动通信系统作为我国分布最广、基站数量最多的通信系统，支持拨号语音通话、低速上网等功能，至今具有重要地位。第二代移动通信系统采用TDMA(GSM系统)或窄带CDMA(IS-95)多址方式，其中GSM系统在P波段(GSM-900)和L波段(GSM-1800)均为制式工作频段[1]。多频天线利用多频谐振、频率可重构等技术，可以大幅节约基站天线的安装空间资源[2]。因此，若能利用一副天线同时满足P波段和L波段的工作需求，则可将节约出的安装空间提供给其他频段天线使用。

对于雷达系统来说，工作频率越高，其测量精度越高；而工作频率越低，其目标搜索能力越强[3]。例如，P波段雷达的工作波长与飞机载体可比拟，该特性将使隐身飞机常用的修形、涂覆吸波材料以及加载超材料等技术手段失效，故P波段雷达常用于远距离警戒以及针对隐身目标的搜索。L波段雷达的工作波长更短并具有更高的分辨率，因此常被用于中距离警戒以及目标跟踪。同时，GPS系统作为广泛应用的定位系统，其两个工作频率均在L波段(主频率1 575.42 MHz，次频率1 227.6 MHz)[4]。在机载雷达应用中，载机可提供的最大载重、额定功率以及空间存在较为严苛的限制。而机载低剖面、频率可重构雷达可利用空时处理技术，以单套系统完成两套甚至多套系统的功能，进而大幅度节约载机资源。

天线作为基站系统与雷达系统的重要组成部分，其工作特性将直接决定系统的工作能力。因此，以P波段和L波段间实现可重构为例，相应的低剖面、频率可重构天线在这一背景下存在一定的需求。

偶极子天线作为机载雷达的最常用天线形式之一[5]，具有结构简单、易设计、辐射特性稳定等优点。针对该天线形式有多种改进方法，其中包括低剖面设计与频率可重构设计。但是，由于传统偶极子天线在辐射体与反射板之间存在四分之一工作波长的距离限制，使得在此基础上的可重构设计会出现低、高频理论距离不一致的矛盾[6-8]。通过采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)结构代替金属反射板可以大幅度降低天线的剖面高度[9-13]。但是在公开报导的多频或可重构设计中，通常没有考虑高频段AMC的反射相位，这将可能导致天线在高频段内出现增益损失或方向图畸变[14-15]。

本文通过将双极化偶极子天线与AMC结构以及PIN二极管进行一体化设计，得到了一款低剖面、P波段与L波段频率可重构的双极化偶极子天线设计。首先，根据偶极子天线的工作原理对其振子臂进行分段设计，并利用PIN二极管的通断控制特性实现了天线的频率可重构功能。随后，针对L波段设计了紧凑型AMC反射板，并结合考虑AMC在低、高频的反射相位设计了合理的天线高度。最终，针对给出的天线设计进行了仿真实验与对比分析。

1 天线的可重构设计

常用的频率可重构方法包括通过开关器件实时改变天线的有效工作长度[2]与加载电抗可变的元器件改变天线的等效电抗值[3]，本文采用第一种方式。单极化偶极子天线的频率可重构原理如图1所示，其中黑色表示天线的电流谐振区域，图1(a)为不偏置直流电压时的天线工作状态；图1(b)为偏置5 V直流电压时的工作状态。

(a)PIN二极管断开状态

(b)PIN二极管导通状态图1 频率可重构天线原理示意图Fig.1 Schematic diagram of frequency reconfigurable antenna

由于偶极子天线的工作频率与处于谐振状态的振子臂长度相关，故通过PIN二极管来调节谐振长度就可以实现天线的频率可重构特性。

2 低剖面原理以及AMC设计

当偶极子天线安装于金属载体上时，其后向辐射场经由反射后会与前向辐射场进行叠加，而叠加的状态取决于反射场的幅度及其与前向辐射场之间的相位差。由于偶极子天线前向与后向辐射场的幅度相等，故当反射场与前向辐射场同相叠加时，天线远区场增益方向图的增益在主辐射方向上将达到最高；而当其反相相消时，方向图在主辐射方向上将发生裂瓣。由于电磁波经由金属板反射后会产生180°的相位差，一般情况下为了保证反射场与前向辐射场同相叠加，偶极子天线辐射体距离金属反射板的理论高度为(1/4+n/2)λ0，n为自然数，如图2所示。由此可知，同相叠加的最小距离为四分之一工作波长。

图2 偶极子天线示意图Fig.2 Dipole antenna diagram

AMC作为一种周期性人工电磁材料，其入射波与反射波的相位差可以表示为[9]：

(1)

式中，Zs为AMC的表面阻抗，η为自由空间的波阻抗。当AMC处于谐振工作状态时，其表面阻抗远Zs大于空间波阻抗η，故电磁波入射其上后会表现出接近0°的反射相位特性。此时，同相叠加的条件为偶极子天线辐射体距离nλ0/2，n为自然数，可知最小理论高度为0。

这里以天线所在的P波段(0.60 GHz附近)作为目标，借助全波仿真软件ANSYS HFSS 15.0，对AMC进行了仿真设计，如图3所示。

图3 AMC结构示意图Fig.3 AMC structure diagram

设计中，介质采用的是Rogers 5880材料，相对介电常数为2.2。当AMC的结构参数为L1=79.5 mm，L2=78 mm，L3=39 mm时，其反射相位特性在所需频段出现谐振状态，如图4所示。

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

结果显示，AMC结构在0.68 GHz处表现为0°反射相位，而同相反射相位带宽一般取+90°～-90°之间[10]，故同相反射带宽为0.63～0.72 GHz。因此，若将天线的P波段设计在该同相反射频带内，则天线可以具备低剖面特性。此外，可以看出AMC在L波段的反射相位分布在-180°～-210°之间，天线设计高度的取值也需要综合考虑这一频段的AMC反射相位特性。

3 天线的仿真实验及分析

将4×4规模的AMC结构设置为反射板，2个天线辐射体正交放置并上下印刷于一块厚度为3 mm的Rogers 5880介质板的两侧，以实现天线的双极化工作特性，如图5所示。天线辐射体的结构参数见图1，相关仿真计算工作同样借助于ANSYS HFSS 15.0。

(a) 整体视图

(b) 侧视图图5 天线模型示意图Fig.5 Antenna model diagram

由前文可知，AMC的仿真计算工作是在无限周期条件下得出，但实际设计中会存在截断误差并导致工作频段发生偏移，故需要对其进行调整。当最终的结构参数分别为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时，天线在P和L波段均具有较好的工作特性，其反射系数如图6所示。

图6 设计天线的反射系数Fig.6 Reflection coefficient of designed antenna

可以看出，通过PIN二极管的通断状态来改变能量谐振区域大小，可以使得天线在P波段与L波段之间实现可重构，且P波段反射系数小于-10 dB的工作频率范围覆盖0.61～0.65 GHz，而L波段覆盖1.53～1.82 GHz。其中P波段还存在2个寄生频段，其主要由辐射体与AMC之间的耦合谐振产生。

为了更加清晰地体现所设计的天线在辐射特性上的优势，这里将采用纯金属反射板的设计作为对比天线，如图7所示。当对比天线的辐射体距离反射板的高度为115 mm时，其P波段的辐射方向图在主辐射方向上具有最大增益。这里分别就设计天线与对比天线工作在0.64 GHz和1.7 GHz时的辐射方向图进行对比，如图8所示。

(a) 结构示意图

(b) 反射系数图7 对比天线Fig.7 Comparison antenna

(a)0.64GHz时E面与H面方向图

(b)0.64GHz时的3D辐射方向图

(c)1.7GHz时E面与H面方向图

(d)1.7GHz时的3D辐射方向图图8 辐射方向图对比Fig.8 Radiation pattern comparison

从对比结果中可以看出，采用纯金属反射板的天线虽然也能实现P波段和L波段的频率可重构特性，且P波段的天线辐射特性与设计天线接近，但是其在L波段的辐射方向图由于反射场的相位叠加不完全甚至可能出现相消情况，造成天线辐射方向图恶化的不利影响。因此，采用AMC结构作为反射板不但可以降低约59%的天线剖面高度，同时更加容易兼顾低、高频段的辐射特性。

4 结论

本文对低剖面、频率可重构的双极化偶极子天线进行了理论分析与仿真建模。从偶极子天线辐射结构与工作频率的关系出发，通过引入PIN二极管控制天线在不同状态下的电流谐振区域，实现了天线的频率可重构特性。根据限制偶极子天线剖面高度的基本理论，从改变天线反射板的反射相位的角度切入，借助AMC结构的设计与加载，实现了天线的低剖面特性。