一种低剖面可调谐共形蒙皮天线设计

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

一种低剖面可调谐共形蒙皮天线设计

温 彬，陈毅乔

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

提出了一种带空气背腔的低剖面可调谐的共形蒙皮GPS天线。该天线基于背腔微带缝隙天线，通过渐变微带线实现耦合馈电和阻抗匹配，通过减小空气背腔深度以及在天线馈电网络和天线阵面连接的位置加入微带并联开路支节实现低剖面设计，通过调节支节的长度实现天线谐振频点可调。该蒙皮天线剖面高度约 0.03λ，仿真结果显示，该天线实现了超过±20 MHz的驻波谐振频率偏移，并且在频率偏移过程中驻波小于2的带宽均大于20 MHz。本工作为共形蒙皮天线设计提供了技术基础，适用于低频段隐身机载窄带天线设计。

低剖面；蒙皮天线；天线调试；支节调配器；缝隙天线；背腔天线

传统的机载共形天线为了实现良好隐身性能，采用了共形的隐身天线罩加平面的天线阵面，可实现良好的带外隐身性能，但在带内和临近频段，由于天线罩和天线阵面的来回反射，造成天线隐身较差。而蒙皮天线直接采用低剖易折的微带天线阵面实现与平台的共形，避免了传统共形天线中天线罩和天线阵面电磁波的来回反射，可实现更好的隐身性能，是未来隐身天线的发展趋势之一。如图1所示，蒙皮天线不同于传统机载共形天线，它的天线罩紧贴天线辐射阵面，天线罩和辐射阵面在不破坏的情况下不可分离，使得无法对辐射阵面进行物理调试，因而无法调节天线谐振频率和驻波参数。

基于此，本文针对低剖面的共形蒙皮天线展开了研究，要求天线工作于GPS频段，具有20 MHz的驻波带宽（＜2）及±20 MHz的驻波可调试范围。本文创新点是在馈电网络中引入微带开路支节，在不改变天线辐射结构尺寸的前提下，通过改变支节长度，完成了天线频率的可调，且不会改变天线其他参数。

图1 蒙皮天线结构图Fig.1 Structure of skin antenna

1 共形蒙皮天线

机载共形蒙皮天线要求天线表面与安装平台共形，具有低剖面的结构和良好的隐身性能。薄层的微带天线易弯折，可以方便成形实现蒙皮化，是机载共形天线首选之一。高频段（如X频段）波长小，微带天线物理尺寸小，薄层介质既能满足天线带宽要求，且在宽频带能实现良好的隐身，其蒙皮天线实现也较为容易。在低频段（如L频段），由于频率低、波长大、天线物理尺寸大、在宽频带内会产生高次散射谐振，造成隐身较差。介质厚度小，也不能满足电厚度要求，带宽较窄。因此，低频段共形蒙皮天线设计是一个难点，而本文也针对这两点进行了研究。

1) 为了增加天线带宽，可以在微带天线背后加上一定厚度空气腔体，该腔体属于机械加工，根据蒙皮形状可以实现高精度曲面加工。在性能上，腔体高度越高，天线带宽越宽。合理选择高度，可以同时满足天线低剖要求和带宽要求。

2) 要求天线具有谐振可调性能，这样可以充分利用天线有限的带宽。

3) 微带贴片天线的贴片尺寸约半波长，物理尺寸较大。而微带缝隙天线的缝宽远小于波长，在天线表面，其金属不连续区域比微带贴片天线少得多，因而更具有良好的隐身性能。

综合考虑，本文选择了带背腔的缝隙天线作为蒙皮天线形式。国内外也有学者针对超宽带缝隙天线和多频带缝隙天线做了很多研究[8-11]，但要么不能满足低剖，要么是基于缝隙形状研究，属于宽缝天线，这两种隐身性能较差，不能满足隐身机载天线要求。

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本文设计了一种低剖面的背腔共形蒙皮天线，模型如图2所示，并采用HFSS软件对天线进行仿真分析。该天线为线极化，工作于GPS频段，通过同轴连接渐变微带线进行馈电和阻抗匹配，微带线耦合缝隙进行能量辐射，在天线馈电位置增加了一个并联支节作为驻波调试，其原理将在下一章节介绍。天线采用相对介电常数2.2的介质基板，介质板厚度为0.5 mm（20 mil），缝隙长120 mm宽2 mm，空气腔体110 mm×110 mm×2 mm，整个天线厚度仅为5 mm。

图2 蒙皮天线示意图Fig.2 Schematic diagram of skin antenna

当支节长度为0，即不考虑支节调试时，天线驻波仿真曲线和方向图如图3和图4所示，天线有27 MHz的带宽，有良好的极化特性。

图3 天线驻波曲线Fig.3 VSWR of the antenna

图4 天线方向图Fig.4 Pattern of the antenna

2 支节调配器原理

采用 HFSS软件对天线进行仿真分析，结果显示天线带宽满足大于20 MHz的要求，但是天线在加工过程中由于加工精度等原因，使得天线实际工作频率与设计频率往往不一致，天线在设计之初就需要留足够的余量，或者提供有效调试方法。对于低频微带窄带天线，尤其是还需要和馈电网络实现电连接，要留足够的带宽余量满足加工误差，是很难实现的。

常用的射频电缆阻抗一般是50 Ω，当天线输入阻抗不能和50 Ω匹配时，则需要在中间加入匹配网络，如图5所示。阻抗匹配方法有很多，常见的有四分之一波长变换、集总元件加载、渐变线和支节调配器等。前三种多用于已知端口阻抗，需要匹配到另一阻抗的情况，如果端口阻抗发生改变，匹配将会恶化甚至失效，而支节调配器可以通过调节支节长度和位置，在一定范围内使得匹配最优。

图5 阻抗匹配示意图Fig.5 Schematic diagram of impedance match net

在微带线或者带状线中，支节调配器不需要集总元件，在离负载一定的位置上并联一段短路或者开路的传输线段，这段传输线就称为支节。为了起到可调的作用，一般采用并联开路支节，从支节位置往开路处看，该支节等效于一个纯电感（容）[12-13]。其示意图如图6所示，通过调节支节位置d，可以使得支节位置到负载的输入阻抗Y1的实部与Y0相等，调节支节长度L，可以使得支节位置到开路的输入阻抗Y2与Y1的虚部相反，从而使得支节位置处输入阻抗与Y0相等，实现任意阻抗的匹配。

在天线设计中，天线输入导纳为YL=GL+jBL，理想情况下，其虚部为0，实部为0.02（1/50 Ω）。由于加工精度等原因，在天线进行测试时，尤其是窄带天线，虽然其输入导纳实部变化不大，但是其虚部往往不等于0，甚至远远大于（小于）0，从而导致天线谐振频率与设计不符。

图6 并联开路支节调配器原理图Fig.6 Principle of stub tuner

天线输入导纳随频率变化的曲线一般有两种形式，如图7所示，调节天线匹配后馈线（或电连接器）的长度，视为史密斯圆图上输入导纳的旋转，可以方便地实现这两种形式的转换。输入导纳虚部为0，实部为0.02认为是理想匹配，而在实际工程中，当实部为0.02±0.01，虚部接近0时，可以认为实现了较好的匹配，满足工程应用。在调试过程中，实部在该范围内，通过改变虚部的值，可以有效改变匹配频点，满足实际需求。

图7 天线输入导纳示意图Fig.7 Input admittance of the antenna

很明显，形式2的输入导纳实部有较宽的调节区间，其实部在0.02±0.01的区间频带范围远远大于形式1，所以为了使天线具有更宽的可调试范围，需要将天线输入导纳设计成类似形式2。

天线输入导纳实部在一定频带范围内有较稳定的曲线，所以本文根据上述支节调配器原理，提出一种更简单有效的调谐方法，设置其支节位置d=0，支节与天线直接相连，如图8所示，通过调节支节的长度L使得天线的输入阻抗（输入导纳）虚部为0，从而在要求的工作频点实现匹配。简单化后的单支节调配器虽然不能对输入导纳实部进行调节，无法实现任意阻抗的匹配调试，但是优点是简单实用，更能满足实际工程需求。

图8 天线单支节调配器示意图Fig.8 Schematic diagram of stub tuner

如图8所示，在天线馈电网络（或者电缆，特征导纳为 Y0）和天线阵面之间加入一段并联开路支节，其特征导纳为Y1，天线阵面处输入导纳为

在天线输入端口接一段开路并联支节，其输入导纳为

式中：β =2π/λ；当tan(βL)，即支节长度L＜λ/4时，支节显示为容性，当tan(βL)＜0，支节显示为感性。

在支节处总的输入导纳为并联的支节和天线输入导纳之和，即Yin= YL+ Yz，调节支节长度L，在要求的频点上使得Yin虚部为0，也就是要求

在实际应用中，选取合适特征阻抗的支节会影响到天线可调试范围，当需要较大的支节特征导纳Y1时，其微带线较宽，甚至难以排布。此时，可以在同一位置上并联多根支节，其总的输入导纳等于多根支节输入导纳之和，调试也变得更灵活。

3 天线调谐仿真结果

当支节长度为0时，天线输入导纳如图9所示，天线输入导纳在1.59 GHz处虚部为0，实部约0.02，天线在该频点谐振，天线理论有效调节区间为1.433～1.608 GHz，调试频率宽度为175 MHz，远大于天线驻波小于2的带宽(27 MHz)。支节长度为0，谐振点为 f0，理论上，逐渐增加支节长度，输入导纳虚部也逐渐增加，在图中表现为实部不变，虚部曲线上移，谐振点从 f0往低频偏移；当支节长度大于λ0/4时，在f0处，支节输入导纳小于0，继续增加支节长度，此时谐振点将从高频往 f0偏移；当支节长度等于λ0/2，与无支节时有相同的谐振点。实际中，为了方便调试，一般选取支节长度不超过λ0/4，通过减小支节长度来实现天线谐振频率的调试。

图9 天线输入导纳曲线Fig.9 Input admittance of the antenna

在该天线中，支节长度从0变化到35 mm（约λ0/4，λ0为支节为 0时天线谐振频点对应的介质波长），天线输入端口导纳曲线仿真结果如图10所示。图10（a）为天线输入导纳虚部在不同支节长度下的频率变化曲线，与理论一致，在谐振频点附近，天线输入导纳虚部随着支节长度增加而增加，在图中也可以明显看出，曲线与y=0直线的交点逐渐往低频偏，且偏移量越来越大，同时曲线的斜率也越来越大，造成驻波带宽越来越窄。当支节总长度增加到35 mm，谐振点偏移至极限低频，如果继续增加支节长度，谐振点将偏移到高频（大于f0）；图10（b）为天线输入导纳实部在不同支节长度下的频率变化曲线，从图中可以看出，支节长度较小时，天线输入导纳实部变化较小，对谐振影响也较小，支节长度加大时，天线输入导纳实部变大，有效区间变窄。

如图 11仿真结果表明，支节长度在 0～20 mm时，驻波带宽不小于20 MHz，天线驻波谐振频率可调试范围为1.54～1.61 GHz，可调试范围超过3倍驻波带宽，满足±20 MHz的调试范围要求。支节在小于λ0/4时，支节越长，驻波谐振频点越低。仿真结果同时发现，该方法存在一个缺点，支节长度的增

图10 不同支节长度天线输入导纳曲线Fig.10 Input admittances of the antenna with different lengths of the stub

加导致导纳虚部斜率增加，使得天线驻波带宽变窄，幸运的是，在支节长度小于15 mm（约λ0/8）时，该影响还不是很明显。所以，在实际应用中，建议以0.1λ0支节长度对天线进行设计，并以0.2λ0支节长度对天线进行加工，使得天线加工后实际工作频率比设计的工作频率低，在调试过程中通过减小支节长度使天线驻波谐振频率偏移至要求频率。

图11 不同支节长度天线驻波曲线Fig.11 VSWR of the antenna with different lengths of the stub

图12为不同支节长度下（0～25 mm）天线驻波谐振点的方向图，方向图特性基本保持一致。不同支节长度下，天线在谐振点的增益最大相差约 0.3 dB，波束宽度相差2°。

图12 不同支节长度天线谐振频点的方向图曲线Fig.12 Patterns of the antenna with different lengths of the stub

4 结论

本文在GPS频段设计了一种可调谐的低剖面背腔缝隙天线，通过减小天线背腔厚度实现了天线低剖要求，通过引入可变长度的并联开路支节实现了天线谐振频点的偏移。仿真结果显示，天线驻波谐振频率可调试范围超过了3倍带宽，通过合理设计和调节支节长度，天线在不同谐振频率下工作，其增益、波束宽度、驻波带宽等特性变化较小。研究结果表明，该天线设计方法实现了天线罩和天线辐射阵面一体化设计，对蒙皮天线的发展起到了积极促进作用。但是，本文的研究还仅是对蒙皮天线的初探，天线的小型化设计和宽带设计还需要进一步研究和展开。

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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

温彬

温彬（1984－），男，四川威远人，工程师， 硕士，主要研究方向为天线辐射和散射分析等；

陈毅乔（1983－），男，四川成都人，高级工程师，硕士，主要研究方向为低可探测天线及隐身天线罩。

（编辑：陈渝生）