一種基于特征模理論設計的嵌入式全向共形天線

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計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(武漢大學電子信息學院 武漢 430079)②(中國電子科技集團公司第五十四研究所 石家莊 050081)

特征模理論能夠為天線設計者展現(xiàn)關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方式。通過參數(shù)優(yōu)化設計了一種工作于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。天線樣機直徑為中心頻率的0.26，高度為0.08，測量電壓駐波比小于2:1的帶寬為1.8%，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。驗證了采用特征摸理論進行天線設計的方法之有效性。

全向共形天線；特征模理論；組合倒L天線

1 引言

通信、導航、電子偵察等領域往往要求天線能夠與移動載體平臺實現(xiàn)表面共形，從而獲得良好的空氣動力學性能，并達到減小雷達散射截面(RCS)的目的。尤其在隱身飛機設計中，往往需要低RCS的全向天線，而可安裝于飛機水平部位(機背或機腹部)的全向共形天線是一個較好的選擇，是共形天線設計的一個難點，已經(jīng)受到了越來越多研究人員的關注。

在文獻報道中，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種天線形式有一個共同的缺點，即天線直徑電尺寸較大，難以應用于超短波(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天線設計[15,16]。其設計過程有別于傳統(tǒng)的天線設計過程，分為兩個階段：模式分析階段和激勵階段，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；饋電設計在激勵階段進行。這種方式有助于深入地理解天線的工作原理，有利于設計新的天線形式。

本文基于特征模理論，在天線尺寸嚴格限制的前提條件下，設計了一種工作于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

為了實現(xiàn)全向天線共形，根據(jù)電磁場理論的對偶原理，首先考慮與偶極子天線對偶的環(huán)形天線。但環(huán)天線直接用作共行天線，易受到平臺內(nèi)臨近天線的其它設備影響，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)能否成為一個全向天線，分析計算了單環(huán)(加腔)結(jié)構(gòu)6個主要模式(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)遠場圖，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個具有水平全向輻射的模式(模式3和模式4)，但其值都遠小于1，表明這兩個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，并進行特征模分析，圖3給出了典型模式電流、模式遠場和分析曲線。

實際上，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：其中一個全向模的電流主要分布在環(huán)上，稱之為“環(huán)模”。但因“環(huán)模”的結(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：保持遠小于1，難以形成有效輻射；另一個全向模的典型電流分布如圖3(b)所示，其電流分布特點為：

(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)上電流形成一個倒L形電流分布，整個模式電流分布形成一個組合倒L結(jié)構(gòu)，故稱其為“組合倒L模”，簡稱為“倒L模”。

2.3雙環(huán)(加腔)加短路釘?shù)奶卣髂７治?/p>

為了進一步提高“倒L模”的MS幅度，在原來單環(huán)的內(nèi)部，再增加一個環(huán)，并保持每個環(huán)只有2個短路釘，如圖1(d)所示。計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

通常情況下，選擇在模式電流最大點激勵。但通過計算發(fā)現(xiàn)，在模式最大點激勵時的端口阻抗很低(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，即通過電場的相互作用實現(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。

計算得到的特征模式相關結(jié)果如圖6所示。從圖6看出：當用探針耦合方式饋電時，“倒L模”處于諧振狀態(tài)，在556 MHz時取值約為1，表明該模式在556 MHz諧振效果最好；此時整個天線上激勵的電流幾乎只由“倒L模”構(gòu)成，圖中模式3為“倒L模”。所以，采用探針耦合饋電的方式能夠有效地激勵“倒L模”。同時計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，易于實現(xiàn)天線阻抗匹配。

4 天線設計與測試結(jié)果

4.1天線設計

根據(jù)前述分析結(jié)果，采用探針耦合饋電的方式，設計的天線尺寸為：(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。加工的天線樣機如圖7(a)所示。

4.2 測試結(jié)果

在沒有金屬底板的情況下，本文設計的天線的遠場輻射方向圖與一個標準的半波對稱振子天線相似。為了驗證所設計的天線作為共形天線的能力，加工制作了天線樣機, 如圖7(a)所示。并將天線樣機嵌入式安裝在尺寸為1 m×1 m的方形鋁板中心，測試了天線的電壓駐波比和遠場輻射方向圖，如圖7(b)~圖7(d)。

從圖7可以看出，天線的測試結(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，設計出一種形式新穎的全向共形天線，加工制作了樣機并進行了性能測試，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好。所設計的天線尺寸：直徑為0.26，高度為0.08，匹配帶寬為1.8%。因此，本文設計的全向共形天線適合用于嚴格限制天線尺寸且?guī)捳臋C載、彈載平臺。

特征模特性只與研究對象的形狀、大小、頻率有關，而與激勵無關；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。利用特征模理論進行天線設計的過程有別于傳統(tǒng)的天線設計過程：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模”，然后設計出有效激勵形式進行饋電，最終研制出一種結(jié)構(gòu)緊湊、新穎的全向共形天線，驗證了利用特征模式理論設計天線的可行性與有效性。從所設計的天線特征模分析結(jié)果來看，天線的遠場方向圖帶寬遠大于阻抗匹配帶寬，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“倒L模”的特征模分析結(jié)果曲線

圖7 天線樣機照片及測試結(jié)果

[1] FILIPOVIC D S and VOLAKIS J L. A flush-mounted multifunctional slot aperture (combo-antenna) for automotive applications[J]., 2004, 52(2): 563-571. doi: 10.1109/TAP. 2004.823927.

[2] CHEN J S. Dual-frequency annular-ring slot antennas fed by CPW feed and microstrip line feed[J]., 2005, 53(1): 569-573. doi: 10.1109/TAP.2004.838799.

[3] WU C T M, CHOI J H, and LEE Hanseung. Magnetic- current-loop-induced electric dipole antenna based on substrate integrated waveguide cavity[J]., 2014, 13: 519-522. doi: 10.1109/LAWP.2014.2311410.

[4] GUAN Dongfang, QIAN Zuping, CAO Wenquan,Compact SIW annular ring slot antenna with multiband multimode characteristics[J]., 2015, 63(12): 5918-5922. doi: 10.1109/TAP.2015.2487516.

[5] DELAVEAUD C, LEVEQUE P, and JECKO B. New kind of microstrip antenna: The monopolar wire-patch antenna[J].. 1994, 30(1): 1-2. doi: 10.1049/el: 19940057.

[6] LIU Juhua, XUE Quan, WONG Hang,Design and analysis of a low-profile and broadband microstrip monopolar patch antenna[J]., 2013, 61(1): 11-18. doi: 10.1109/ TAP.2012.2214996.

[7] WEN Bin, LIU Juhua, ZHOU Wenlong,A low-profile and wideband monopolar circular via-loaded patch antenna coupled with via-loaded ring[C].2015()Shenzhen, 2015: 1-3. doi: 10. 1109/IEEE-IWS.2015.7164599.

[8] DAI Xiwang, ZHOU Tao, and CUI Guanfeng. Dual-band microstrip circular patch antenna with monopolar radiation pattern[J]., 2016, 15: 1004-1007. doi: 10.1109/LAWP.2015.2490079.

[9] LIANG Zhixi, LIU Juhua, LI Yuanxin,. A dual-frequency broad-band design of coupled-fed stacked microstrip monopolar patch antenna for WLAN applications[J]., 2016, 15: 1289-1292. doi: 10.1109/LAWP.2015. 2505091.

[10] WONG Hang, KWOK K S, and GAO Xia. Bandwidth enhancement of a monopolar patch antenna with V-shaped slot for car-to-car and WLAN Communications[J]., 2016, 65(3): 1130-1136. doi:10.1109/TVT.2015. 2409886.

[11] CHEN A, JIANG T, CHEN Z,A novel low-profile wideband UHF antenna[J].-, 2011, 121: 75-88. doi: 10.2528/ PIER11081302.

[12] GARBACZ R J and TURPIN R. A generalized expansion for radiated and scattered fields[J]., 1971, 19(3): 348-358. doi: 10.1109/TAP.1971.1139935.

[13] HARRINGTON R F and MAUTZ J R. Theory of characteristic modes for conducting bodies[J]., 1971, 19(5): 622-628. doi: 10.1109/TAP.1971.1139999.

[14] HARRINGTON R F, MAUTZ J R, and YU Chang. Characteristic modes for dielectric and magnetic bodies[J]., 1972, 20(2): 194-198. doi: 10.1109/TAP.1972.1140154.

[15] CHEN Yikai and WANG Chaofu. Synthesis of platform integrated antennas for reconfigurable radiation patterns using the theory of characteristic modes[C]. 201210th International Symposium on Antennas, Propagation & EM Theory (ISAPE), Xi’ an, 2012: 281-285.doi: 10.1109/ISAPE. 2012.6408764.

[16] CHEN Yikai and WANG Chaofu. Electrically small UAV antenna design using characteristic modes[J]., 2014. 62(2): 535-545. doi: 10.1109/TAP.2013.2289999.

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、高級工程師，研究方向為電磁計算和天線設計.

龔子平： 男，1977年生，講師，研究方向為天線理論與設計、無線電海洋遙感.

柯亨玉： 男，1957年生，教授、博士生導師，研究方向為電波傳播與天線、電磁場理論與應用等.