清华大学李越研究团队：面向高速机载通信系统的水平全向天线分集系统丨Engineering
清华大学李越研究团队：面向高速机载通信系统的水平全向天线分集系统丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《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，清华大学李越研究团队提出了一种由电磁学与空气动力学协同设计的水平全向双极化天线，可用于高速机载分集系统。天线主体结构包含探针馈电的金属腔和微带线馈电的横槽，可分别实现水平极化与垂直极化。此外，设计的双层超表面结构可作为人工磁导体边界，不仅尺寸紧凑，而且使天线具备可直接安装金属机身的能力。为提升天线流体力学性能，在天线表面贴附一楔形块结构，用于降低风阻。针对本研究所提出的天线进行设计验证，实测结果与仿真结果一致。垂直极化的工作带宽在2.37~2.55 GHz的范围内，水平面方向图的增益不圆度为3.67 dB；水平极化的工作带宽在2.45~2.47 GHz的范围内，增益不圆度为3.71 dB。包含楔形块结构在内，天线整体尺寸为0.247 λ 0 × 0.345 λ 0 × 0.074 λ 0 （其中 λ 0 为中心频率下自由空间波长），两端口间的隔离度可达33 dB以上。本研究所提出的天线分集系统兼具电磁学与空气动力学的性能优势，在高速机载通信应用中表现出优良潜力。
双极化天线可以收发两个正交极化的电磁波，由于其具有增强信道容量及避免极化失配的优势而在多输入多输出系统中备受关注。 同时，水平全向天线可用来实现水平面的全向覆盖，因此可以提升通信链路的可靠性。基于这些性能优势，水平全向双极化（omnidirectional dual-polarized, ODP）天线近些年得到广泛研究。 在ODP天线的设计过程中有两个关键指标，即极化隔离度与辐射方向图 （远场区域内电磁波辐射水平的角度分布），因此需要合理地设计与放置ODP天线的辐射单元。
此外，在高速机载系统中天线还需要满足低风阻要求。例如，空中防碰撞系统具有以下两点要求：①水平面360°信号覆盖用以全方位检测；②多个电磁极化分量用以避免极化失配。因此， 安装在战斗机机身表面的ODP天线需要降低风阻并缩小尺寸，以减少因风阻而导致的能量损耗。 此外，近期的研究通过引入超表面的概念实现了天线的小型化， 但是还未实现ODP天线的设计。
因此，在本研究中， 清华大学李越研究团队提出了一种兼具电磁学和空气动力学优良性能的双层超表面马刀形ODP天线。 图1为该天线（安装在战斗机高速机载系统中）的应用场景示意图。通过对紧凑的双层超表面进行优化设计，将该天线插入薄腔内作为人工磁导体（artificial magnetic conductor, AMC）边界。因此，所提出的天线可以直接安装在金属表面上，以实现系统尺寸的紧凑化。
图1. 水平全向覆盖天线在高速机载系统中的应用场景示意图。
为了进一步降低风阻，通过流体力学分析，在腔体上贴附了一个楔形块。最终，这款ODP天线由一个薄的探针馈电金属腔、一个微带线馈电的槽结构、两块双层超表面和一个楔形块组合而成，尺寸为30 mm × 42 mm × 9 mm，即0.247λ 0 × 0.345λ 0 × 0.074λ 0 ，其中λ 0 为中心频率下自由空间波长。天线的风阻系数相较于不加楔形块的传统设计降低了29.6%，端口间隔离度高于33 dB，适用于极化分集系统。在两种极化状态下，测得的水平面辐射方向图的增益不圆度均低于3.71 dB，其中增益不圆度含义为在方向图中增益最大值与最小值的差值。 该天线分集系统具有低风阻、机身可直接安装、体积小、极化隔离度高、水平全向覆盖等优点，在高速、低风阻的机载通信中具有广阔的应用前景。
关键词：天线分集系统；空气动力学；电磁学；水平全向辐射；高速机载通信
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2020.10.014
以上内容来自：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.