一種低剖面可調諧共形蒙皮天線設計

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

一種低剖面可調諧共形蒙皮天線設計

溫 彬，陳毅喬

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

提出了一種帶空氣背腔的低剖面可調諧的共形蒙皮GPS天線。該天線基于背腔微帶縫隙天線，通過漸變微帶線實現耦合饋電和阻抗匹配，通過減小空氣背腔深度以及在天線饋電網絡和天線陣面連接的位置加入微帶并聯開路支節實現低剖面設計，通過調節支節的長度實現天線諧振頻點可調。該蒙皮天線剖面高度約 0.03λ，仿真結果顯示，該天線實現了超過±20 MHz的駐波諧振頻率偏移，并且在頻率偏移過程中駐波小于2的帶寬均大于20 MHz。本工作為共形蒙皮天線設計提供了技術基礎，適用于低頻段隱身機載窄帶天線設計。

低剖面；蒙皮天線；天線調試；支節調配器；縫隙天線；背腔天線

傳統的機載共形天線為了實現良好隱身性能，采用了共形的隱身天線罩加平面的天線陣面，可實現良好的帶外隱身性能，但在帶內和臨近頻段，由于天線罩和天線陣面的來回反射，造成天線隱身較差。而蒙皮天線直接采用低剖易折的微帶天線陣面實現與平臺的共形，避免了傳統共形天線中天線罩和天線陣面電磁波的來回反射，可實現更好的隱身性能，是未來隱身天線的發展趨勢之一。如圖1所示，蒙皮天線不同于傳統機載共形天線，它的天線罩緊貼天線輻射陣面，天線罩和輻射陣面在不破壞的情況下不可分離，使得無法對輻射陣面進行物理調試，因而無法調節天線諧振頻率和駐波參數。

基于此，本文針對低剖面的共形蒙皮天線展開了研究，要求天線工作于GPS頻段，具有20 MHz的駐波帶寬（＜2）及±20 MHz的駐波可調試范圍。本文創新點是在饋電網絡中引入微帶開路支節，在不改變天線輻射結構尺寸的前提下，通過改變支節長度，完成了天線頻率的可調，且不會改變天線其他參數。

圖1 蒙皮天線結構圖Fig.1 Structure of skin antenna

1 共形蒙皮天線

機載共形蒙皮天線要求天線表面與安裝平臺共形，具有低剖面的結構和良好的隱身性能。薄層的微帶天線易彎折，可以方便成形實現蒙皮化，是機載共形天線首選之一。高頻段（如X頻段）波長小，微帶天線物理尺寸小，薄層介質既能滿足天線帶寬要求，且在寬頻帶能實現良好的隱身，其蒙皮天線實現也較為容易。在低頻段（如L頻段），由于頻率低、波長大、天線物理尺寸大、在寬頻帶內會產生高次散射諧振，造成隱身較差。介質厚度小，也不能滿足電厚度要求，帶寬較窄。因此，低頻段共形蒙皮天線設計是一個難點，而本文也針對這兩點進行了研究。

1) 為了增加天線帶寬，可以在微帶天線背后加上一定厚度空氣腔體，該腔體屬于機械加工，根據蒙皮形狀可以實現高精度曲面加工。在性能上，腔體高度越高，天線帶寬越寬。合理選擇高度，可以同時滿足天線低剖要求和帶寬要求。

2) 要求天線具有諧振可調性能，這樣可以充分利用天線有限的帶寬。

3) 微帶貼片天線的貼片尺寸約半波長，物理尺寸較大。而微帶縫隙天線的縫寬遠小于波長，在天線表面，其金屬不連續區域比微帶貼片天線少得多，因而更具有良好的隱身性能。

綜合考慮，本文選擇了帶背腔的縫隙天線作為蒙皮天線形式。國內外也有學者針對超寬帶縫隙天線和多頻帶縫隙天線做了很多研究[8-11]，但要么不能滿足低剖，要么是基于縫隙形狀研究，屬于寬縫天線，這兩種隱身性能較差，不能滿足隱身機載天線要求。

在進入胃鏡室觀摩學習的過程中，首先對消化系統的解剖結構進行熟練的掌握，尤其對食管、胃及十二指腸的內鏡下結構具有清晰的認識，這對胃鏡檢查的順利完成及鏡下疾病的診斷起著至關重要的作用。掌握胃鏡基礎理論，知道消化內鏡的發展史，目前消化內鏡設備越來越先進，讓我們對消化系統疾病的認識更加全面且直接。因此掌握胃鏡的操作原理及機械結構，對于學習及更好的掌握胃鏡起著重要作用。除此，還應對操作主機和電腦部分進行掌握。以便在學習過程中靈活且正確使用胃鏡，避免錯誤使用胃鏡造成鏡身過度損耗甚至損壞。

本文設計了一種低剖面的背腔共形蒙皮天線，模型如圖2所示，并采用HFSS軟件對天線進行仿真分析。該天線為線極化，工作于GPS頻段，通過同軸連接漸變微帶線進行饋電和阻抗匹配，微帶線耦合縫隙進行能量輻射，在天線饋電位置增加了一個并聯支節作為駐波調試，其原理將在下一章節介紹。天線采用相對介電常數2.2的介質基板，介質板厚度為0.5 mm（20 mil），縫隙長120 mm寬2 mm，空氣腔體110 mm×110 mm×2 mm，整個天線厚度僅為5 mm。

圖2 蒙皮天線示意圖Fig.2 Schematic diagram of skin antenna

當支節長度為0，即不考慮支節調試時，天線駐波仿真曲線和方向圖如圖3和圖4所示，天線有27 MHz的帶寬，有良好的極化特性。

圖3 天線駐波曲線Fig.3 VSWR of the antenna

圖4 天線方向圖Fig.4 Pattern of the antenna

2 支節調配器原理

采用 HFSS軟件對天線進行仿真分析，結果顯示天線帶寬滿足大于20 MHz的要求，但是天線在加工過程中由于加工精度等原因，使得天線實際工作頻率與設計頻率往往不一致，天線在設計之初就需要留足夠的余量，或者提供有效調試方法。對于低頻微帶窄帶天線，尤其是還需要和饋電網絡實現電連接，要留足夠的帶寬余量滿足加工誤差，是很難實現的。

常用的射頻電纜阻抗一般是50 Ω，當天線輸入阻抗不能和50 Ω匹配時，則需要在中間加入匹配網絡，如圖5所示。阻抗匹配方法有很多，常見的有四分之一波長變換、集總元件加載、漸變線和支節調配器等。前三種多用于已知端口阻抗，需要匹配到另一阻抗的情況，如果端口阻抗發生改變，匹配將會惡化甚至失效，而支節調配器可以通過調節支節長度和位置，在一定范圍內使得匹配最優。

圖5 阻抗匹配示意圖Fig.5 Schematic diagram of impedance match net

在微帶線或者帶狀線中，支節調配器不需要集總元件，在離負載一定的位置上并聯一段短路或者開路的傳輸線段，這段傳輸線就稱為支節。為了起到可調的作用，一般采用并聯開路支節，從支節位置往開路處看，該支節等效于一個純電感（容）[12-13]。其示意圖如圖6所示，通過調節支節位置d，可以使得支節位置到負載的輸入阻抗Y1的實部與Y0相等，調節支節長度L，可以使得支節位置到開路的輸入阻抗Y2與Y1的虛部相反，從而使得支節位置處輸入阻抗與Y0相等，實現任意阻抗的匹配。

在天線設計中，天線輸入導納為YL=GL+jBL，理想情況下，其虛部為0，實部為0.02（1/50 Ω）。由于加工精度等原因，在天線進行測試時，尤其是窄帶天線，雖然其輸入導納實部變化不大，但是其虛部往往不等于0，甚至遠遠大于（小于）0，從而導致天線諧振頻率與設計不符。

圖6 并聯開路支節調配器原理圖Fig.6 Principle of stub tuner

天線輸入導納隨頻率變化的曲線一般有兩種形式，如圖7所示，調節天線匹配后饋線（或電連接器）的長度，視為史密斯圓圖上輸入導納的旋轉，可以方便地實現這兩種形式的轉換。輸入導納虛部為0，實部為0.02認為是理想匹配，而在實際工程中，當實部為0.02±0.01，虛部接近0時，可以認為實現了較好的匹配，滿足工程應用。在調試過程中，實部在該范圍內，通過改變虛部的值，可以有效改變匹配頻點，滿足實際需求。

圖7 天線輸入導納示意圖Fig.7 Input admittance of the antenna

很明顯，形式2的輸入導納實部有較寬的調節區間，其實部在0.02±0.01的區間頻帶范圍遠遠大于形式1，所以為了使天線具有更寬的可調試范圍，需要將天線輸入導納設計成類似形式2。

天線輸入導納實部在一定頻帶范圍內有較穩定的曲線，所以本文根據上述支節調配器原理，提出一種更簡單有效的調諧方法，設置其支節位置d=0，支節與天線直接相連，如圖8所示，通過調節支節的長度L使得天線的輸入阻抗（輸入導納）虛部為0，從而在要求的工作頻點實現匹配。簡單化后的單支節調配器雖然不能對輸入導納實部進行調節，無法實現任意阻抗的匹配調試，但是優點是簡單實用，更能滿足實際工程需求。

圖8 天線單支節調配器示意圖Fig.8 Schematic diagram of stub tuner

如圖8所示，在天線饋電網絡（或者電纜，特征導納為 Y0）和天線陣面之間加入一段并聯開路支節，其特征導納為Y1，天線陣面處輸入導納為

在天線輸入端口接一段開路并聯支節，其輸入導納為

式中：β =2π/λ；當tan(βL)，即支節長度L＜λ/4時，支節顯示為容性，當tan(βL)＜0，支節顯示為感性。

在支節處總的輸入導納為并聯的支節和天線輸入導納之和，即Yin= YL+ Yz，調節支節長度L，在要求的頻點上使得Yin虛部為0，也就是要求

在實際應用中，選取合適特征阻抗的支節會影響到天線可調試范圍，當需要較大的支節特征導納Y1時，其微帶線較寬，甚至難以排布。此時，可以在同一位置上并聯多根支節，其總的輸入導納等于多根支節輸入導納之和，調試也變得更靈活。

3 天線調諧仿真結果

當支節長度為0時，天線輸入導納如圖9所示，天線輸入導納在1.59 GHz處虛部為0，實部約0.02，天線在該頻點諧振，天線理論有效調節區間為1.433～1.608 GHz，調試頻率寬度為175 MHz，遠大于天線駐波小于2的帶寬(27 MHz)。支節長度為0，諧振點為 f0，理論上，逐漸增加支節長度，輸入導納虛部也逐漸增加，在圖中表現為實部不變，虛部曲線上移，諧振點從 f0往低頻偏移；當支節長度大于λ0/4時，在f0處，支節輸入導納小于0，繼續增加支節長度，此時諧振點將從高頻往 f0偏移；當支節長度等于λ0/2，與無支節時有相同的諧振點。實際中，為了方便調試，一般選取支節長度不超過λ0/4，通過減小支節長度來實現天線諧振頻率的調試。

圖9 天線輸入導納曲線Fig.9 Input admittance of the antenna

在該天線中，支節長度從0變化到35 mm（約λ0/4，λ0為支節為 0時天線諧振頻點對應的介質波長），天線輸入端口導納曲線仿真結果如圖10所示。圖10（a）為天線輸入導納虛部在不同支節長度下的頻率變化曲線，與理論一致，在諧振頻點附近，天線輸入導納虛部隨著支節長度增加而增加，在圖中也可以明顯看出，曲線與y=0直線的交點逐漸往低頻偏，且偏移量越來越大，同時曲線的斜率也越來越大，造成駐波帶寬越來越窄。當支節總長度增加到35 mm，諧振點偏移至極限低頻，如果繼續增加支節長度，諧振點將偏移到高頻（大于f0）；圖10（b）為天線輸入導納實部在不同支節長度下的頻率變化曲線，從圖中可以看出，支節長度較小時，天線輸入導納實部變化較小，對諧振影響也較小，支節長度加大時，天線輸入導納實部變大，有效區間變窄。

如圖 11仿真結果表明，支節長度在 0～20 mm時，駐波帶寬不小于20 MHz，天線駐波諧振頻率可調試范圍為1.54～1.61 GHz，可調試范圍超過3倍駐波帶寬，滿足±20 MHz的調試范圍要求。支節在小于λ0/4時，支節越長，駐波諧振頻點越低。仿真結果同時發現，該方法存在一個缺點，支節長度的增

圖10 不同支節長度天線輸入導納曲線Fig.10 Input admittances of the antenna with different lengths of the stub

加導致導納虛部斜率增加，使得天線駐波帶寬變窄，幸運的是，在支節長度小于15 mm（約λ0/8）時，該影響還不是很明顯。所以，在實際應用中，建議以0.1λ0支節長度對天線進行設計，并以0.2λ0支節長度對天線進行加工，使得天線加工后實際工作頻率比設計的工作頻率低，在調試過程中通過減小支節長度使天線駐波諧振頻率偏移至要求頻率。

圖11 不同支節長度天線駐波曲線Fig.11 VSWR of the antenna with different lengths of the stub

圖12為不同支節長度下（0～25 mm）天線駐波諧振點的方向圖，方向圖特性基本保持一致。不同支節長度下，天線在諧振點的增益最大相差約 0.3 dB，波束寬度相差2°。

圖12 不同支節長度天線諧振頻點的方向圖曲線Fig.12 Patterns of the antenna with different lengths of the stub

4 結論

本文在GPS頻段設計了一種可調諧的低剖面背腔縫隙天線，通過減小天線背腔厚度實現了天線低剖要求，通過引入可變長度的并聯開路支節實現了天線諧振頻點的偏移。仿真結果顯示，天線駐波諧振頻率可調試范圍超過了3倍帶寬，通過合理設計和調節支節長度，天線在不同諧振頻率下工作，其增益、波束寬度、駐波帶寬等特性變化較小。研究結果表明，該天線設計方法實現了天線罩和天線輻射陣面一體化設計，對蒙皮天線的發展起到了積極促進作用。但是，本文的研究還僅是對蒙皮天線的初探，天線的小型化設計和寬帶設計還需要進一步研究和展開。

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Design of a low-profile and tunable-frequency skin antenna

WEN Bin, CHEN Yiqiao
(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A low-profile and tunable-frequency GPS skin antenna was proposed. The antenna was designed based on the microstrip cavity-backed slot antenna. A tapered microstrip line transition was utilized to feed the antenna and to match the input impedance of the antenna. A low-profile design was realized by reducing the thickness of the cavity and adopting a parallel open stub tuner between the antenna and the feeding net. Changing the length of the stub could make the antenna frequency tunable. The profile height of proposed antenna is about 0.03λ and the simulation results show that, the proposed antenna has a resonant frequency offsetting of more than and at least 20 MHz VSWR (＜2) bandwidth during the frequency tuning. This work provides the technology foundation for the skin antenna design, which is suitable for the stealth aircraft antenna with narrow band and low working frequency.

low-profile; skin antenna; antenna tuning; stub tuner; slot antenna; cavity-backed antenna

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.011

TN820

A

1001-2028（2018）01-0057-05

2017-11-06

溫彬

溫彬（1984－），男，四川威遠人，工程師， 碩士，主要研究方向為天線輻射和散射分析等；

陳毅喬（1983－），男，四川成都人，高級工程師，碩士，主要研究方向為低可探測天線及隱身天線罩。

（編輯：陳渝生）