工程11（2022）72研究用于无线连接的高级WLAN-文章用于高速星载通信的全向天线分集系统张永健a，b，李跃a，b，张伟权a，b，张志军a，b，冯正和a，ba清华大学电子工程系，北京100084b清华大学北京国家信息科学技术研究中心，北京100084阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年9月1日修订2020年10月15日接受2020年12月29日网上发售保留字：天线分集系统空气动力学电磁学全向辐射高速车载通信A B S T R A C T本文提出了一种适用于高速分集系统的电磁和气动性能综合的全向双极化天线。所提出的天线包括用于水平极化辐射的探针馈电腔和用于垂直极化的微带馈电槽。双层超颖表面被适当地设计为人工磁导体边界，具有直接金属可安装的板载安装和紧凑的尺寸。附加的楔形块用于流体动力学中的风阻减小。制作了天线进行设计验证，实验结果与仿真结果吻合良好。对于垂直极化，工作带宽在2.37-2.55 GHz的范围内，并且在方位角辐射图中实现的增益变化为3.67分贝（dB）。而在水平极化下，阻抗带宽在2.45-2.47 GHz范围内，增益变化为3.71 dB。在 0.247k0×0.345k0×0.074k0（ k0为真空中中心频率处的波长）的紧凑体积中，包括楔形块，获得了大于33dB的端口隔离度。该分集天线具有电磁和空气动力学的优点，在高速星载通信中具有很好的应用前景。©2020 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍双极化天线在两个正交的极化方向上发射和接收电磁波，由于其在信道容量增强和极化失配缓解方面的显著优点，在多输入多输出系统中受到了极大的关注[1相反，全向天线通常在方位角平面上实现全覆盖[7基于这些需求，全向双极化（ODP）天线近年来得到了广泛的研究。ODP天线有两个关键指标，即极化隔离度和辐射方向图（辐射电磁波在远场的角度分布）。因此，ODP天线的辐射元件应选择和安排适当。在参考文献[1]中，分别针对水平和垂直极化制作了[13]第10段。*通讯作者。电子邮件地址：lyee@tsinghua.edu.cn（Y. Li）。在参考文献[14]中，ODP天线被设计为具有优化的天线和圆形环路的组合。参考文献[15]提出了一种利用对称双锥和六个印刷振子构成的ODP天线.此外，介质谐振器天线的设计和使用的ODP天线，工作在不同的谐振模式在参考文献。[16、17]。此外，低天线风阻要求应满足高速机载通信[18，19]。例如，交通避碰系统要求①360°信号覆盖，在方位平面内进行全方位检测;②在极化失配的情况下，需要多个电磁极化分量战斗机机身上的ODP天线要求低风阻和紧凑的尺寸，以减少空气阻力和降低能耗。参考文献[20]提出了一种用于体上通信的低高度、可穿戴ODP天线阵列，其具有L形槽和顶部加载贴片。在文献[21]中，在具有高端口隔离度和方位角全向辐射方向图的细长腔体上适当地蚀刻背腔槽和折叠槽。为了进一步减小体积，参考文献[22]的设计采用开口薄腔作为全向水平极化辐射元件，然后https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.10.0142095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engY. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7273×¼D使用具有用于垂直极化的方位角全向辐射的折叠缝隙。然而，紧凑型天线在参考文献中被提出。[20-此外，在最近的研究中，受Meta表面概念的启发[23本文提出了一种具有双层超颖表面的军刀形ODP天线，该天线具有良好的电磁学和空气动力学性能。图1显示了安装在高速机载战斗机上的天线的应用场景系统.在被提出的天线的紧凑，双层用于所提出的天线中。在ANSYS Electronics Desktop中对所提出的天线进行了建模和数值研究18.0（ANSYS，美国）。表1列出了详细参数。2.2. AMC设计如图如图3（a）所示，一个规则的腔体被设计为天线A，其两侧是开口的（蓝色虚线），一侧设置为辐射孔（绿色虚线）。其他三面是金属边界。根据谐振腔的谐振理论，谐振频率f由下式计算：cs你好，我是一个很好的朋友。你好，我是一个很好的朋友。ffiffiffiffi2ffiffiffipffiffiffiΣffiffiffi2ffiffi超表面被修改并插入到薄腔内部，人工磁导体（AMC）边界。 所以，亲。f¼2pkX启彦þKZð1Þ可直接安装在金属表面上，以实现紧凑的系统尺寸。为了进一步减小风阻，在流体力学分析的基础上，在腔体上附加了楔形块。因此，所提出的ODP天线的设计相结合的薄探针馈电腔，微带馈电折叠槽，两个双层超表面，和楔形块。其尺寸为30 mm×42 mm×9 mm（即，0.247 k0×0.345 k0 0.074 k0，其中k0表示真空中中心频率处的波长）。天线的风阻系数为其中c表示真空中的光速;kX、kY和kZ分别是沿X、Y和Z在天线A中，沿X和Z轴的场都是均匀的，例如，零阶模式，其中kZ，A为无限大（这里，kZ，A表示天线A中沿Z轴的谐振波长）。由于边界条件，沿Y轴的场是四分之一正弦分布（即，最小值在一端，最大值在另一端）。因此，天线沿Y轴的宽度如下：比无楔块的常规设计降低29.6%。端口隔离度大于33 dB，适用于实际的极化分集系统。所测量的1wA¼4kY;AC1/4fð2Þ方位角辐射图中的增益变化都低于3.71 dB，用于双极化情况。2. 理论与测量2.1. 天线设计所提出的ODP天线的配置如图2所示。它由一个剑形腔和一个用于水平和垂直偏振的折叠缝组成。如图2（a）所示，腔体的金属层厚度为t=1.0 mm，并且腔体在一侧上具有楔形块（er= 1，其中er表示相对介电常数）的开口端，并且在其他五侧上具有短接端。 分解图如图所示 。第 2段（b）分段。两个双-层超颖表面作为AMC边界被插入到空腔内部。当射频信号通过端口1馈送时，其中wA表示天线A的长度，并且kY，A表示天线A的长度。天线A中沿Y轴的谐振波长。由于沿Z轴的零阶模式，天线的高度A（hA在这种情况下，我们假设它等于c/（4f）。当信号通过探头馈送时，天线A在辐射孔径上实现沿着Z轴的等效磁流（黑色虚线箭头）实现方位角全向辐射图案。然而，该天线必须位于金属机身上方至少四分之一波长处。为了将天线直接放置在金属表面上，提出天线B，如图3（b）所示。采用两个金属边作为短端边界（红点线），从而导致金属机身的直接安装。场分布沿X轴仍然是均匀的，沿Y轴为四分之一正弦，但沿Z轴为半正弦。因此，该天线的尺寸如下：沿着Z轴的腔的场在零阶11处操作。W模式（即，均匀的场分布）具有方位角全向图案的辐射。在谐振腔上开一个垂直极化缝隙，当信号通过缝隙时，缝隙工作在一阶模式（半正弦场分布，最大值在中间，最小值在两端）。通过端口2由50X微带线馈电F4BM 265（er= 2.65，tand = 0.002，其中d表示介质损耗角）B<$4kY;B;hB<$2kZ;B<$3k其中wB表示天线B的长度;kY，B表示天线B中沿Y轴的谐振波长;hB表示天线B的高度;以及kZ，B表示天线B中沿Z轴显然，天线B的尺寸大于天线A的尺寸根据流体力学理论[26]，无因次风阻系数CD按下式计算：C2FDqv2Aqð4ÞFig. 1.全向覆盖天线在高速车载系统中的应用场景。其中，FD表示风阻，q是气体密度，v是流过物体的气体速度，Aq是物体朝向迎面而来的流动流的横截面积。当天线形状和气体流量固定时，风阻系数为常数。因此，天线的横截面积影响亲，部分地取决于风力。因此，天线B具有比天线A更大的风阻力。为了减小风阻，天线C被设计在图3（c）中。两个相同的超颖表面作为AMC插入腔体内Y. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7274图二、所提出的天线的几何配置（a）透视图;（b）分解图。t：腔体的金属层厚度;w1：微带线的宽度;w2：水平槽的宽度;w3：介质的厚度;l1：腔体的长度;l2：腔体的高度;l3：腔体的宽度;l4：水平槽的弯曲部分的长度;l5：探针的高度;l6：探针与块之间的距离;l7：微带线的长度;d：探针的直径。表1所提出的天线的详细参数边界虽然腔体的上侧和下侧也是短端的，但是由于AMC边界条件，该天线沿着Z轴以零阶模式操作。因此，天线C具有小的风阻和与天线A相同的尺寸（即，hC=hA和wC=wA，其中hC表示天线C的高度，wC表示天线C的长度。关于成本，插入天线与天线A相比，C引入37.4%的损耗值。 图3（d）描绘了由交错的双层贴片和双层基底组成的超表面的详细配置。基于等效电路分析[27，28]，在腔体天线中采用元表面结构作为AMC边界。为了将超颖表面插入到这样的薄腔内部，超颖表面被小型化并且被优化到期望的频率。通过对超颖表面和腔体的协同优化，天线中仅使用三个单元作为AMC边界。如图在图3（d）-（ f ） 中 ， 参 数 记 为 ： 单 元 贴 片 宽 度 d1 =7.75mm ， 相 邻 贴 片 间 隙 d2 = 1.25mm ， 双 层 贴 片 间 距 h1 =0.25mm，第二衬底层厚度h2 = 3 mm。第3段（d）分段。2.3. 双极化结构在设计中，需要具有相似全向辐射方向图的两个极化。基于水平极化图三.水平极化天线的发展。（wA：天线A的长度;wB：天线B的长度;wC：天线C的长度;hA：天线A的高度;hB：天线B的高度;hC：天线C的高度;d1：单位贴片宽度;d2：相邻贴片间隙;h1：双贴片层之间的距离;h2：第二基板层的厚度Y. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7275------腔体天线，在腔体上刻出垂直极化的缝隙，用于方位全向辐射和可接受的阻抗匹配。折叠槽的整个长度为l3+2l4= 33 mm（即，约k0/2）。通过优化馈电微带线的长度，使垂直极化缝隙适当匹配并工作在其一阶模式。图4示出了对于两个正交极化的腔的侧壁上的表面电流分布如图所示如图4（b）所示，当腔通过端口1馈电时，观察到表面电流在侧1、侧2和侧3上处于相同方向。因此，主电流密度（JH）在水平方向上并且与辐射槽平行地流动。 当端口2被馈电时，电流集中在水平槽的两个边缘上，如图1所示。 4（c）. 主电流密度（JV）在垂直方向上并且垂直于辐射槽。结果，水平极化中的总电流分布与垂直极化中的总电流分布正交两个电流分布的积分相对较小），因此指示两个端口之间的高端口隔离通过实验透射系数验证了隔离度的有效性。也就是说，通过端口1馈送的能量具有较小的泄漏到端口2。因此，在紧凑的结构中获得高端口隔离3. 结果如图5所示，构建并测量了具有楔形块的所提出的ODP天线的原型。两个双层超颖表面插入腔体内，并分别粘附在腔体的上下两侧。折叠槽通过超小型版本A连接器馈电，该连接器与微带线焊接在一起。薄腔由一个50X同轴电缆，内导体连接到探头，外导体焊接到腔体表面。的楔形块是中空的，并使用聚乳酸三维打印。因此，块的相对介电常数可以等效地视为er= 1。用美国Keysight公司的N9917A矢量网络分析仪测试了天线的阻抗特性，并在微波暗室中测试了天线的图6（a）描绘了所述预冲击天线的散射（S）参数。测量的-10dB阻抗带宽|和|S 22|2017 - 05 - 25 00：00：00（|SMN|表示当信号通过端口N传输时从端口M接 收 的 信 号 电 平 ， 并 且 工 作 阻 抗 带 宽 通 常 被 定 义 为 具 有 反 射 系 数 的 频 带 。|representsthereceivedsignallevelfromportMwhenthesignalistransmittedthroughportN,andtheoperatingimpedancebandwidth is usually defined as the frequency band with a reflec-图四、腔侧壁上的表面电流分布（a）提出的天线的透视图双极化情况下天线和表面电流分布的扩展视图：（b）水平极化和（c）垂直极化。JH：水平极化主电流密度;JV：垂直极化主电流密度;Jsurf：表面电流分布; Max：表面电流幅值的最大值; Min：表面电流幅值的最小值。图五. 所提出的ODP天线的照片：（a）前视图和（b）后视图。作用系数，即， |SNN|，小于10dB[7 -9 ]）。由于插入超表面的高品质因数腔，水平极化的带宽很窄。这种窄带宽问题可以通过增加体积（例如，增加L2 的值）。测量结果与模拟|的21|均低于33 dB，因此意味着端口隔离适用于双极化系统[4，5]。图6（b）示出了模拟和测量的增益和总效率的pro-pounded天线。对于通过端口1馈电的水平极化，在2.45-2.47 GHz的期望频带内，测量的增益在0.7 - 0.84 dBi之间变化（这里dBi表示相对于各向同性天线的增益当通过端口2激励垂直偏振辐射时，测得的增益为2.18在2.465 GHz的双极化的建议天线的归一化方向图中描绘。 7，其中Eu和Eh分别表示电场的u和h分量。这里，u是在XY平面中相对于X轴的方位角，h是相对于Z轴的升高角。如图如图7（a）所示，当端口1被激励时，共偏振（期望的偏振）辐射图案在XY平面中是全向的。方位角辐射图中实现的增益变化（测量结果）为3.71 dB，由此增益变化表示辐射图中增益的最大值和最小值之间的差。图7（c）示出了通过端口2激励的垂直偏振辐射在XY平面中的归一化图案在方位角平面上测得的实现增益变化为3.67 dB。测试结果表明，交叉极化实测的垂直极化实现增益和总效率分别为2.25dBi和88.6%，与模拟结果吻合较好。测得的增益和总效率为0.84 dBi和58.3%的水平极化与有损超颖表面。在商用软件ANSYS ICEM CFD 16.1（ANSYS，USA）中对具有楔形块的所提出的天线进行了研究表2列出了所提出的ODP天线和其他现有设计之间的性能比较。与以往的设计相比，该天线具有较好的电磁特性，但截面积较小。此外，高速通信中的重要指标--风阻系数，采用楔形块后可降低29.6%4. 讨论4.1. 电磁特性辐射方向图的变化是用于全向覆盖的ODP天线的关键指标图8描绘了对影响辐射图案的腔13的宽度的参数研究当l3从12减小到6mm时，金属腔Y. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7276图六、（a）S参数;（b）在仿真和测量结果中给出了所提出的ODP天线的实现增益和总效率。 |SMN|表示当信号通过端口N传输时从端口M接收的信号电平; dBi表示相对于各向同性天线的增益。见图7。实测和仿真结果表明，天线的归一化辐射方向图为：（a，b）水平极化方向图;（c，d）垂直极化方向图。Eu和Eh分别表示电场的u和h分量u是在X-Y平面中相对于X轴的方位角，h是相对于Z轴的仰角表2财产比较。参考文献[29]0.342k0× 0.073k02.38本功0.247k0×0.074k02.45对来自等效磁流的反向辐射施加不太明显的阻挡效应，因此改善了水平极化的全向辐射特性，如图8所示。然而，腔宽l3受插入超颖表面的限制，此时的优化参数为l3= 9mm。提出的空腔长度l1为k0/4。通过调节馈电探针 如图所示如图9（a）所示，在大多数辐射孔区域中实现了均匀的电场分布。图9（b）显示了沿中心线（AA0）的场强分布，峰值在点Pa或Pd处。这意味着在双层超颖表面内部存在强共振电场从点Pb到Pc变得均匀，因此意味着超颖表面作为AMC边界操作因此，一个均匀的，等效的磁流实现与方位全向辐射。值得注意的是见图8。参数l3对辐射方向图增益变化影响的研究。(a)常规天线A的配置;（b）在2.465GHz处具有不同l3值的X-Y参考横截面积水平/垂直极化带宽（GHz）水平/垂直极化增益变化（dB）风阻系数参考文献[22]0.301k0×0.073k02.36-2.50/2.36-2.803.18/4.411.756Y. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7277≈·图9.第九条。水平极化腔体开口端的均匀电场特性。（a）表面电场强度|E|at2.465GHz;（b）2.465 GHz处的中心线（A A0）电场幅度;（c）|S11|具有各种L2值的所提出的天线。有损耗超颖表面降低了水平极化的效率并限制了阻抗带宽。图9（c）示出了端口1的模拟反射系数，l2.当l2从30增加到70 mm时，谐振频率稳定，阻抗带宽更宽，这是由于与腔体体积相关的品质因数降低。因此，高度l2被优化为带宽和尺寸之间的折衷。4.2. 气动特性如图10所示，安装在比例F-15战斗机模型上的推进天线由商业软件Altair HyperWorks FEKO 2017.1（Altair，USA）设计和数值研究。实用F-15战斗机的最大飞行速度可达2.5 Ma（1 Ma306 m s-1，海拔高度为10公里），与一机身长度的19.45米，一翼展13.05米，高5.65米。从电磁学的角度，将战斗机机身看作一个大的金属地面.当机身相对于天线足够大时，机身的缩放尺寸对系统的电磁特性的影响较小。因此，由于数值计算资源的限制，F-15战斗机被缩小到其原始尺寸的二十分之一，简化的金属机身由图10（a）中橙色突出显示的区域表示。计算结果对验证电磁和气动设计仍有指导意义。该天线采用楔形块直接安装在缩尺模型机身上。图图10（b）和（c）示出了在2.465 GHz下水平和垂直极化的三维辐射特性。可以观察到，由于金属机身，两种极化的辐射方向图向上倾斜由方程式（4），风力也与CD有关（即，风动系数）。除了天线为了考试-例如，在亚音速情况下，水滴状物体具有最小的风阻系数。然而，在超音速飞行中，水滴状物体将贡献一个正常的冲击波产生一个大的风阻系数。在这种超声速环境下，楔形物体将触发斜激波，与其他激波相比，斜激波的风阻系数可以减小到最小值。因此，为了减小所提出的天线的风阻系数，将具有锐角a的共形块（er= 1）附接到腔，如图11（a）中所绘制的。普遍的看法的气流方向和天线的放置角度如图所示 。 11（b）. 不同风阻系数值随着锐角α的变化而实现。考虑相对速度va =2Ma和飞行高度h= 10 km时，对有无块体的天线进行了数值计算。图图11（c）-（f）显示了不同状态下的几个压力云图。图12中示出了具有不同锐角α值的天线体积和风阻系数。所提出的无屏蔽天线具有较大的风偏系数CD=1.743。通过安装块体，当角度a从120 °减小到60°时，风阻系数从1.513减小到0.828。然而，天线的体积将随着角度α减小而变大。考虑到以下方面的权衡：体积和风阻系数，锐角a为cho。sen等于90°，风阻系数CD= 1.237。总的来说，在保持天线截面积不变的情况下，天线的风阻系数比不加阻块的天线减小了29.6%。5. 结论在这篇文章中，低风阻ODP天线系统是pro-bounded金属表面安装的高速机载应用。在电磁特性方面，针对水平极化辐射，提出了插入超表面的军刀形腔，针对垂直极化辐射，提出了共形槽，从而提高了隔离度（高于见图10。在2.465 GHz时战斗机模型上的天线辐射方向图。(a)仿真模型;（b）三维水平极化辐射方向图;（c）三维垂直极化辐射方向图。Y. Zhang，Y.Li，W.Zhang等人工程11（2022）7278×图十一岁带楔形块体天线的几何形状和空气动力学特性（a）所提出的天线的透视图;（b）气流方向图;（c）无块体压力云图;（d）120°角加载块体压力云图;（e）90 °角加载块体压力云图;（f）60 °角加载块体压力云图。a：楔形块的锐角;va：相对速度。见图12。不同锐角α值的天线体积和风阻系数。33 dB）。实际应用中，测量到的增益变化小于4 dB是可以接受的在空气动力学性能方面，天线上安装了一个90°考虑到低风速、直接安装在机身上、体积小、高极化隔离度和全方位覆盖等优点，这种天线分集系统在高速、低风速的机载通信中具有很大的致谢作者感谢北京市自然科学基金（4182029）、北京市杰出人才资助项目青年拔尖计划和国家重点研究发展计划（2018YFB1801603）的支持。遵守道德操守准则Yongjian Zhang 、 Yue Li 、 Weiquan Zhang 、 Zhijun Zhang 和Zhenghe Feng声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 秦锋，高松松，罗强，毛春春，顾春，魏刚，等。一种简单低成本的合成孔径雷达 共 用 孔 径 双 频 双 极 化 高 增 益 天 线 。 IEEE Trans Escheras Propag2016;64（7）：2914-22.[2] 李文，李文.基于间隙波导技术的双极化阵列天线的设计与实现.北京：机械工业出版社，1998. IEEE Trans Escheras Propag 2019;67（7）：4579-88.[3] Bolt RJ，Cavallo D，Gerini G，Deurloo D，Grooters R，Neto A，等. 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