適合臨近空間通信的Ka/V雙頻口徑耦合天線設(shè)計(jì)

陳長興，蔣 金，凌云飛，華偉民，陳 強(qiáng)，任曉岳

(空軍工程大學(xué)理學(xué)院，西安710051)

0 引言

文獻(xiàn)［1－2］中指出ITU分配給我國臨近空間有三個(gè)可采用的頻段:1885 MHz～2170 MHz的S頻段，27．5 GHz～31．3 GHz的Ka頻段，47．2 GHz～48．2 GHz的V頻段。而飛行器在臨近空間超高聲速飛行過程中產(chǎn)生等離子鞘套包覆飛行器表面，引起信號的衰減和相位失真等問題，會對通信造成干擾［3－6］。文獻(xiàn)［7］經(jīng)過分析總結(jié)出Ka頻段是臨近空間飛行器超視距測控的首選頻段，同時(shí)指出提高飛行器的通信頻率，有助于解決飛行器在高超聲速飛行產(chǎn)生的等離子鞘套通信黑障的問題。而微帶天線剖面薄，體積小，重量輕，可制成與導(dǎo)彈，衛(wèi)星等載體表面共形的結(jié)構(gòu)，且口徑耦合微帶天線較其他微帶天線便于制作，易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，且易獲取較寬的頻帶特性而受到廣泛關(guān)注及應(yīng)用［8－10］。而傳統(tǒng)的單層微帶貼片天線帶寬相對較窄，在設(shè)計(jì)中常采用口徑耦合微帶天線來獲取寬頻帶特性［11］。

文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了一個(gè)小的環(huán)狀貼片組成的一個(gè)整體圓形輻射波導(dǎo)，通過縫隙耦合饋電的方式實(shí)現(xiàn)了頻點(diǎn)在20G/30G的雙頻工作。文獻(xiàn)［13］通過在天線陣單元采用凹槽加載中心饋電結(jié)構(gòu)，并調(diào)節(jié)饋電線的長度，獲得了兩個(gè)零點(diǎn)，從而使微帶天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作。然后組成4×4天線陣，得到雙頻天線陣工作在32．5 GHz和35．7 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)，天線陣的增益16．25 dB，輻射效率達(dá)到82%。文獻(xiàn)［14］利用CMOS和IPD的現(xiàn)代切削組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在微波頻段V/E雙頻工作天線設(shè)計(jì)，且實(shí)現(xiàn)了V頻段－10 dB帶寬達(dá)到6．1%，V頻段－10 dB帶寬達(dá)到5．8%。文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)了一種新的頻率可重構(gòu)天線，該天線由準(zhǔn)Sierpinski分形偶極子和一個(gè)雙頻高阻抗表面組成，通過改變兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)使天線工作于X、Ku和Ka三個(gè)頻段。文獻(xiàn)［16］在頻選表面L波段貼片陣列天線上設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka波段反射陣列天線，該天線工作于L和Ka波段且通過一個(gè)同軸雙環(huán)頻選面單元背饋于同軸雙分離環(huán)單元。此反射陣使天線在L波段輻射性能產(chǎn)生一定影響，最大增益僅達(dá)到11．8 dBi。但在Ka波段表現(xiàn)良好，在頻點(diǎn)20 GHz處增益達(dá)到36．4 dBi，帶寬達(dá)到57%;頻點(diǎn)29．8 GHz處增益達(dá)到38．5 dBi，帶寬達(dá)到48%。

本文設(shè)計(jì)了一種在Ka和V雙頻段工作的口徑耦合微帶天線，在中間地板的矩形縫隙中間開一個(gè)圓孔，通過調(diào)節(jié)圓孔的大小來控制雙頻的工作點(diǎn)，并通過組成1×4的天線陣列，實(shí)現(xiàn)了在Ka/V雙頻段工作。

1 天線的單元結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙頻口徑耦合天線模型如圖1所示，輻射貼片位于單元上層介質(zhì)板的頂部，饋線位于單元下層介質(zhì)板的底部。為得到最大耦合和對稱的方向圖，把耦合口徑放在貼片中心正下方，且要求口徑耦合微帶天線的口徑尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于貼片的尺寸。根據(jù)耦合理論可知，口徑耦合微帶天線的諧振頻率主要由微帶輻射單元決定，但也受到口徑大小的影響。隨著口徑參數(shù)l0、w0、a的增大，天線輸入阻抗實(shí)部減小，而天線諧振頻率增大，所以可以通過調(diào)整l0、w0和a的大小來得到理想的輸入阻抗。本文主要根據(jù)微帶耦合理論計(jì)算出l0、w0的大小，通過探究半徑a對Ka/V雙頻的影響，改變a的大小來實(shí)現(xiàn)諧振頻點(diǎn)在30G/47．5G的Ka/V頻段的雙頻工作并實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性。

如圖1所示，圖1(a)是天線的三維模型圖，由兩層介質(zhì)板和一層地面組成。當(dāng)兩層選取同樣時(shí)，往往不能很好地?cái)U(kuò)展帶寬。上層介質(zhì)板采用介質(zhì)常數(shù) εr1=2．2，厚度h1=0．508 mm的介質(zhì)基片;地面中開一個(gè)長為l0，寬為w0的縫隙，再在縫隙中間開一個(gè)半徑為a的圓孔;下層介質(zhì)板采用介質(zhì)常數(shù)εr2=10．2，厚度h2=0．835 mm的介質(zhì)基片。圖1(b)是天線模型俯視圖，由圖可看出饋線、縫隙以及輻射貼片均位于模型的幾何中心位置。

圖1 天線單元模型示意圖Fig．1 The structure of antenna unit

經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式和分析設(shè)計(jì)，得到相應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

表1 單元天線設(shè)計(jì)參數(shù)(mm)Table 1 The design parameters of antenna unit(mm)

2 天線單元的結(jié)果

對天線進(jìn)行運(yùn)算，得到回波損耗S11如圖2所示。

3 天線單元參數(shù)分析與優(yōu)化

圖2 天線單元的S11曲線圖Fig．2 The S11 result of antenna unit

由耦合理論分析可知，饋線通過理想地面上的口徑將能量耦合給頂層介質(zhì)貼片單元，口徑尺寸大小決定耦合到貼片單元能量的比例。減小口徑參數(shù)a的大小，耦合比例減少，諧振的輸入阻抗減小。當(dāng)然如果口徑太小，能量沒有耦合到貼片單元，諧振阻抗也很小。所以調(diào)整口徑參數(shù)a可以得到輸入阻抗理想的諧振頻率。

由上面的理論分析，選取a=0．38 mm、0．37 mm、0．35 mm、0．34 mm四個(gè)點(diǎn)加上之前的a=0．36 mm五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。得到不同a的值對應(yīng)的S11曲線如圖3所示。

圖3 不同a的值對應(yīng)的S11曲線Fig．3 The different values of a corresponding to different values of S11

從參數(shù)分析結(jié)果中可以看出，小于－10 dB的Ka頻段帶寬基本在27 GHz～32 GHz之間，小于－10 dB的V頻段帶寬在47 GHz～49 GHz之間，基本上包含了在臨近空間3區(qū)的業(yè)務(wù)頻段。諧振頻率分布不同位置，但總體上隨著a減小，諧振頻點(diǎn)向左移動，設(shè)計(jì)要求的30G/47．5G位于a=0．36 mm和a=0．35 mm中間，對a這個(gè)區(qū)間值優(yōu)化，得到S11結(jié)果如圖4所示。

圖4 S11優(yōu)化分析結(jié)果Fig．4 The result of S11 optimization analysis

由圖4可知，設(shè)計(jì)的雙頻口徑耦合微帶天線有30 GHz和47．5 GHz兩個(gè)諧振頻點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算Ka頻段小于 －10 dB帶寬為27．5 GHz～30．9 GHz，帶寬達(dá)到了11．33%，V頻段小于 －10 dB帶寬為47．1 GHz～48．3 GHz，帶寬達(dá)到了2．52%，滿足其在臨近空間3區(qū)業(yè)務(wù)的通信頻段需求。其中諧振頻點(diǎn)在30 GHz時(shí)的E和H面的增益輻射方向圖如圖5(a)所示，諧振頻點(diǎn)在47．5 GHz時(shí)的E和H面的增益輻射方向圖如圖5(b)所示。

圖5 單元天線諧振頻點(diǎn)輻射方向圖Fig．5 The E and H plane radiation pattern of antenna unit

由圖5分析知，在30 GHz頻點(diǎn)處，天線的方向性明顯，主瓣比較突出，E面和H面均在θ=0°時(shí)達(dá)到最大增益;在47．5 GHz諧振頻點(diǎn)處的E面具有輻射全向性，H面輻射全向較好，但在145°＜θ＜155°處出現(xiàn)零點(diǎn)，可在后期設(shè)計(jì)中組成陣列天線，通過多個(gè)天線的輻射場同相疊加獲取補(bǔ)償。

4 天線陣列設(shè)計(jì)

由于口徑耦合微帶天線可以獲得比單層微帶天線更寬的帶寬，并且重量輕，易于有源器件集成，組成陣列可以得到更好的性能。

圖6 1×4陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig．6 The structure of 1×4 array antenna

為了保持每個(gè)天線單元的激勵(lì)電流幅度和相位始終相同，將上述單元組成1×4的天線陣列，饋電網(wǎng)絡(luò)采用如圖6所示的微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，四個(gè)口徑耦合天線通過功分器相連，功分器每個(gè)枝節(jié)的阻抗均為50Ω。經(jīng)計(jì)算得到的S11結(jié)果如圖7所示。

圖7 1×4天線陣列S11曲線圖Fig．7 The result of S11 of 1×4 array antenna

由圖7可看出，1×4雙頻口徑耦合陣列天線實(shí)現(xiàn)了在Ka和V兩個(gè)頻段通信。其中在Ka頻段小于－10 dB帶寬為27．3 GHz～30．6 GHz，V頻段小于－10 dB帶寬為46．8 GHz～48 GHz。由于單元天線之間的間距和功分器的問題，導(dǎo)致回波損耗參數(shù)S11比單元天線的S11大很多，下一步設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在調(diào)整單元天線之間的間距和功率分配器的設(shè)計(jì)上。其諧振頻點(diǎn)在30 GHz時(shí)的E和H面的增益輻射方向圖，如圖8(a)所示;諧振頻點(diǎn)在47．5 GHz時(shí)的E和H面的增益輻射方向圖，如圖8(b)所示。

圖8 1×4的天線陣列諧振頻點(diǎn)輻射方向圖Fig．8 The E and H plane radiation pattern of 1×4 array

由圖8可知，1×4雙頻口徑耦合陣列天線在諧振頻率30 GHz處方向性明顯;H面主瓣突出，由于饋線在天線底部且向下輻射，E面的旁瓣較多，但都在θ=0°處取得最大增益11．77 dB。在諧振頻率47．5 GHz處的輻射方向較明顯，由于饋線在天線底部，一部分輻射能量損失并向下輻射，使得H面的主瓣雖然突出，但旁瓣也較多，E面整體輻射方向較明顯，但向下的輻射能量較多。E面和H面也均在θ=0°時(shí)達(dá)到最大增益11．92 dB。各天線單元之間存在的互耦效應(yīng)影響了天線的性能。

——據(jù)人民網(wǎng)報(bào)道，南京專家研究發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間的共同生活，使夫妻倆腸道菌群逐漸變得相似，這會對夫妻雙方的性格、行為習(xí)慣等產(chǎn)生影響，有些夫妻甚至還會出現(xiàn)常人所說的夫妻相

5 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的這種在Ka和V雙頻段工作的口徑耦合微帶天線，實(shí)現(xiàn)了雙頻和寬頻特性，滿足在臨近空間3區(qū)業(yè)務(wù)通信頻段的Ka和V兩個(gè)頻段的通信需求，并且組成的1×4陣列天線在兩個(gè)諧振頻率30 GHz和47．5 GHz處也獲得較高增益。從耦合理論分析，由于口徑參數(shù)a的大小可控制耦合的能量，那么可以通過在天線裝置內(nèi)添加一個(gè)控制器裝置改變a，來實(shí)現(xiàn)該天線在所需頻段進(jìn)行通信。此外該天線結(jié)構(gòu)簡單、易于有源器件集成、可與載體共形，為以后臨近空間飛行器天線設(shè)計(jì)提供參考。

［1］ 石磊，郭寶龍，劉彥明，等．臨近空間飛行器綜合信道模型研究［J］．宇航學(xué)報(bào)，2011，32(7):1557－1563．［Shi Lei，Guo Bao-long，Liu Yan-ming，et al．Research on integrated channel model for near-space hypersonic vehicle［J］．Journal of Astronautics，2011，32(7):1557－1563．］

［2］ 柴霖．臨近空間飛行器測控與信息傳輸系統(tǒng)頻段選擇［J］．航空學(xué)報(bào)，2008，29(4):1007－1012．［Chai Lin．Selection of work frequency for near space vehicle TT＆C and information transmission system［J］．Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2008，29(4):1007－1012．］

［3］ 高平，李小平，楊敏，等．時(shí)變等離子鞘套相位抖動對GPS導(dǎo)航的影響［J］．宇航學(xué)報(bào)，2013，34(10):1330－1335．［Gao Ping，Li Xiao-ping，Yang Min，et al．Effect on time-varying plasma sheath phase fluctuation on GPS navigation［J］．Journal of Astronautics，2013，34(10):1330－1335．］

［4］ 楊敏，李小平，謝楷，等．電磁信號在時(shí)變等離子體中傳播的調(diào)制效應(yīng)［J］．宇航學(xué)報(bào)，2013，34(6):842－847．［Yang Min，Li Xiao-ping，Xie Kai，et al．The modulation effect of EM signals caused by the time-varying plasma［J］．Journal of Astronautics，2013，34(6):842－847．］

［5］ 于哲峰，劉佳琪，劉連元，等．臨近空間高超聲速飛行器RCS特性研究［J］．宇航學(xué)報(bào)，2014，35(6):713－719．［Yu Zhefeng，Liu Jia-qi，Liu Lian-yuan，et al．Research on the RCS characteristics of hypersonic near space vehicle［J］．Journal of Astronautics，2014，35(6):713－719．］

［6］ 蔣金，陳長興，任曉岳，等．臨近空間等離子體鞘套對太赫茲傳播特性分析［J］．空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，16(5):80－84．［Jiang Jin，Chen Chang-xing，Ren Xiaoyue，et al．Analysis of terahertz wave propagation in near space plasma sheath［J］．Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition)，2015，16(5):80－84．］

［7］ 任雨苗．臨近空間測控通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)研究及仿真驗(yàn)證［D］．西安:西安電子科技大學(xué)，2011．［Ren Yu-miao．Research of modulation technology on near space TT＆C communication system and simulation［D］．Xi’an:Xidian University，2011．］

［8］Abdullah N．Microstrip sierpinski carpet antenna design［D］．Malaysia:Universiti Teknologi Malaysia，2005．

［9］ 楊穎怡，趙旭，王偉光，等．L波段寬帶縫隙耦合天線設(shè)計(jì)［J］．微波學(xué)報(bào)，2012，8:84－86．［Yang Ying-yi，Zhao Xu，Wang Wei-guang，et al．Design of wideband aperture-coupled antenna at L band［J］．Chinese Journal of Microwave，2012，8:84－86．］

［10］David M P．A microstrip antenna aperture coup1ed to a microstrip line［J］．E1ectron Letters，1985，21(1):49－50．

［11］ 錢祖平，劉亭亭，趙菲．縫隙耦合饋電寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(4):739－744．［Qian Zu-ping，Liu Ting-ting，Zhao Fei．Design of wide-band aperture-coupled circularly polarized microstrip antenna［J］．Chinese Journal of Radio Science，2010，25(4):739－744．］

［12］Emilio A，Luigi B，Giandomenico A．A Ka-band dual-frequency radiator for array applications［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8:894－897．

［13］ 傅佳輝，吳群，張放，等．毫米波微帶雙頻平面天線陣研究［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(4):746－749．［Fu Jiahui，Wu Qun，Zhang Fang，et al．Research on millimeter-wave microstrip dual-band plane antenna array［J］．System Engineering and Electronics，2011，33(4):746－749．］

［14］Ta-Yeh L，Tsenchieh C，Da-Chiang C．Design of dual-band millimeter-wave antenna-in-package using flip-chip assembly［J］．IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology，2014，4(3):385－391．

［15］Long L，Zhao W，Ke L，et al．Frequency-reconfigurable quasisierpinski antenna integrating with dual-band high-impedance surface［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62(9):4459－4462．

［16］Thomas S，Ulrich G，Oleksiy S K，et al．An FSS-backed 20/30GHz circularly polarized reflectarray for a shared aperture L-and Ka-band satellite communication antenna［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62(2):661－664．