清華大學李越研究團隊：面向高速機載通信系統(tǒng)的水平全向天線分集系統(tǒng)丨Engineering
清華大學李越研究團隊：面向高速機載通信系統(tǒng)的水平全向天線分集系統(tǒng)丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中國工程院院刊主刊，工程類綜合性期刊，旨在為全球提供一個高水平的工程科技重大成果發(fā)布交流平臺，報道全球工程前沿，促進工程科技進步，服務社會、造福人類。中國科技期刊卓越行動計劃領軍期刊。 中英文出版，全文開放獲取。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第4期，原文出自：Omnidirectional Antenna Diversity System for High-Speed Onboard Communication
引言
在本研究中，清華大學李越研究團隊提出了一種由電磁學與空氣動力學協(xié)同設計的水平全向雙極化天線，可用于高速機載分集系統(tǒng)。天線主體結構包含探針饋電的金屬腔和微帶線饋電的橫槽，可分別實現(xiàn)水平極化與垂直極化。此外，設計的雙層超表面結構可作為人工磁導體邊界，不僅尺寸緊湊，而且使天線具備可直接安裝金屬機身的能力。為提升天線流體力學性能，在天線表面貼附一楔形塊結構，用于降低風阻。針對本研究所提出的天線進行設計驗證，實測結果與仿真結果一致。垂直極化的工作帶寬在2.37~2.55 GHz的范圍內(nèi)，水平面方向圖的增益不圓度為3.67 dB；水平極化的工作帶寬在2.45~2.47 GHz的范圍內(nèi)，增益不圓度為3.71 dB。包含楔形塊結構在內(nèi)，天線整體尺寸為0.247 λ 0 × 0.345 λ 0 × 0.074 λ 0 （其中 λ 0 為中心頻率下自由空間波長），兩端口間的隔離度可達33 dB以上。本研究所提出的天線分集系統(tǒng)兼具電磁學與空氣動力學的性能優(yōu)勢，在高速機載通信應用中表現(xiàn)出優(yōu)良潛力。
雙極化天線可以收發(fā)兩個正交極化的電磁波，由于其具有增強信道容量及避免極化失配的優(yōu)勢而在多輸入多輸出系統(tǒng)中備受關注。 同時，水平全向天線可用來實現(xiàn)水平面的全向覆蓋，因此可以提升通信鏈路的可靠性。基于這些性能優(yōu)勢，水平全向雙極化（omnidirectional dual-polarized, ODP）天線近些年得到廣泛研究。 在ODP天線的設計過程中有兩個關鍵指標，即極化隔離度與輻射方向圖 （遠場區(qū)域內(nèi)電磁波輻射水平的角度分布），因此需要合理地設計與放置ODP天線的輻射單元。
此外，在高速機載系統(tǒng)中天線還需要滿足低風阻要求。例如，空中防碰撞系統(tǒng)具有以下兩點要求：①水平面360°信號覆蓋用以全方位檢測；②多個電磁極化分量用以避免極化失配。因此， 安裝在戰(zhàn)斗機機身表面的ODP天線需要降低風阻并縮小尺寸，以減少因風阻而導致的能量損耗。 此外，近期的研究通過引入超表面的概念實現(xiàn)了天線的小型化， 但是還未實現(xiàn)ODP天線的設計。
因此，在本研究中， 清華大學李越研究團隊提出了一種兼具電磁學和空氣動力學優(yōu)良性能的雙層超表面馬刀形ODP天線。 圖1為該天線（安裝在戰(zhàn)斗機高速機載系統(tǒng)中）的應用場景示意圖。通過對緊湊的雙層超表面進行優(yōu)化設計，將該天線插入薄腔內(nèi)作為人工磁導體（artificial magnetic conductor, AMC）邊界。因此，所提出的天線可以直接安裝在金屬表面上，以實現(xiàn)系統(tǒng)尺寸的緊湊化。
圖1. 水平全向覆蓋天線在高速機載系統(tǒng)中的應用場景示意圖。
為了進一步降低風阻，通過流體力學分析，在腔體上貼附了一個楔形塊。最終，這款ODP天線由一個薄的探針饋電金屬腔、一個微帶線饋電的槽結構、兩塊雙層超表面和一個楔形塊組合而成，尺寸為30 mm × 42 mm × 9 mm，即0.247λ 0 × 0.345λ 0 × 0.074λ 0 ，其中λ 0 為中心頻率下自由空間波長。天線的風阻系數(shù)相較于不加楔形塊的傳統(tǒng)設計降低了29.6%，端口間隔離度高于33 dB，適用于極化分集系統(tǒng)。在兩種極化狀態(tài)下，測得的水平面輻射方向圖的增益不圓度均低于3.71 dB，其中增益不圓度含義為在方向圖中增益最大值與最小值的差值。 該天線分集系統(tǒng)具有低風阻、機身可直接安裝、體積小、極化隔離度高、水平全向覆蓋等優(yōu)點，在高速、低風阻的機載通信中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：天線分集系統(tǒng)；空氣動力學；電磁學；水平全向輻射；高速機載通信
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2020.10.014
以上內(nèi)容來自：Yongjian Zhang, Yue Li, Weiquan Zhang, Zhijun Zhang, Zhenghe Feng. Omnidirectional Antenna Diversity System for High-Speed Onboard Communication [J]. Engineering, 2022, 11(4): 72-79.