1. 引言
目前应对复杂的电磁环境和精准打击的要求，需要作战设备不仅具有单一的干扰、探测功能，同时还需要满足多种信息传输处理功能。而天线，是实现这一跨越式提升不可或缺的组件。而且，在实战中，一般都不能事先知道敌方雷达波的辐射方向，需要在各个方向上同时进行侦察，因此天线不仅要满足定向辐射的远场方向图特性，还应满足宽频带、低剖面、方向图稳定等诸多要求。
为了设计高效的宽带天线 [1] ，需要增加天线尺寸，这与天线的小型化需求相矛盾，因此需要研究天线的小型化、宽带/多频段、高辐射效率的设计方法。双极化天线被广泛用于提高无线链路的信道容量和稳定性，以及用于校准。常见的双极化喇叭天线 [2] 、交叉偶极 [3] 、独立可控 [4] 、波导天线 [5] 、维瓦尔第天线 [6] 、准八木 [7] 、喇叭 [8] 等，这几类天线都有很好的工作带宽和定向辐射特性，但普遍存在着体积过大的缺点，使其应用受到很大的限制。因此，双极化贴片定向天线因为小型化的优势被广泛研究应用。
在许多文献中有大量 [1] [2] [3] [8] [9] 关于单向辐射模式宽带天线的研究报道。在文献 [2] 中，采用共面波导馈电结构，制作了工作频带为3~6 GHz的对数周期阵列天线|S11| < −10 dB。在文献 [3] 中提出了一种宽频带背腔领结天线，采用三角形领结偶极子和简单的微带向平行带的垂直过渡，使其驻波比(VSWR)带宽达到91.4%，同时，采用大腔体和环形结构来增强单向辐射模式。在文献 [5] 中介绍了一种超宽带平面准八木天线，该天线采用一种新的微带到槽线的过渡结构，工作频段为3.6~11.6 GHz，增益为4.3~6.8 dBi。在文献 [10] 中提出了一种宽带单向四元天线，该天线采用集成巴伦和波纹边界的辐射单元，对驻波比具有83.7%的宽阻抗带宽。然而，前后比(FBR)在工作频段内小于10 dB。值得注意的是，本文提出的天线是传统四方天线 [10] 的演变，由四个相同的贴片(辐射元件)、一个同轴电缆巴伦(馈电结构)和一个接地面(反射面)组成，它的工作带宽为50%。文献 [11] [12] 中有一些技术可以拓宽其操作波段，但是工作波段的辐射模式变得不可接受。在文献 [11] [13] [14] [15] [16] 中，在贴片下增加一个调谐板，并修改四个贴片，天线的工作频带为800~2200 MHz。在波段的低端可以获得良好的单向图案，同时在波段的上端可以观察到+z方向的倾角。
本文在已有天线小型化、宽带化、高增益技术的基础上，提出了双元蝶形小型、宽带定向天线。所设计的双极化宽带定向天线利用±45˚交叉极化实现2.84~4.78 GHz下|S11| < −10 dB，天线系统的两个天线单元之间的互耦在所需工作频段内均低于−20 dB，可以覆盖1.8~6 G频段，适用于电子侦收通信。
本文第一部分介绍双元四叶草蝶形天线的设计原理，接着介绍该天线的设计方案和天线实物及其尺寸，第三部分是测试结果展示，分为传导测试和辐射测试两部分，第四部分为结论与讨论。
2. 研究方法
2.1. 设计原理
本文采用渐变电长度路径法对于超宽带(ultra-wideband, UWB) [11] 定向天线而言，要实现高带宽低反射，目的就是让天线工作在更多的谐振点上，对于一般的传统电偶极子天线而言，其总长度约为半个工作波长，即半波振子，故一个振臂的长度约为四分之一工作波长 [10] 。同理如图1所示，对于本课题研究的定向天线(±45˚交叉极化)上臂的总长度，即从馈电到辐射单元边界的长度一般略小于1/4工作波长λ [13] [14] 。
为了实现超宽带的特性，要让天线辐射振子上产生尽可能多的工作频点，所以一般采取渐变电流路径长度的方式，具体来说就是图中第一电长度L1 (略小于λ1第一波长)对应产生其工作频率F1，第二电长度L2 (略小于λ2第二工作波长)对应产生其工作频率F2，第三电长度L3 (略小于λ3第三工作波长)对应产生其工作频率F3，以此以微分单元的想法产生大量不同的电长度L，一个电长度对应一个频点F，不断的各频点叠加连续，形成超宽带UWB。
Figure 1. Tapered electrical length ultra-wideband antenna
图1. 渐变电长度超宽带天线
2.2. 设计方案
基于上述分析，为实现小型宽带化，本文设计一种双元蝶形定向天线。提出了一种交叉馈电型，提高了天线间隔离度，通过渐变四叶草结构，不断以微分的形式逐渐增加横向电流路径长度，使四叶草结构覆盖大量工作频点，实现了天线的宽带化。同时，在四个四叶草上端引入矩形枝节，实现阻抗匹配，以进一步扩宽低频带宽，另一方面延长微带馈线长度，降低天线反射系数的同时，增加了天线的频带宽度。计算及实测结果表明，天线|S11| ≤ −10 dB的阻抗带宽为2.84 GHz~4.78 GHz，实现了天线的小型化和宽带化，且具有高增益特性。
(a) 双元蝶形三维视图 
(b) 俯视面 
(c) 实物图
Figure 2. Structure diagrams of dual-element four-leaf clover directional antenna
图2. 双元四叶草定向天线的结构图
图2给出了本文提出的宽带低剖面双元碟形定向天线的结构图示意图。该四叶草天线印刷在相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，厚度为1 mm的FR-4介质板上，介质板的尺寸为50 mm*50 mm*1 mm，反射面尺寸为70 mm*70 mm*1 mm，实现了天线的小型化和宽带化，且具有高增益特性。
图2(a)为设计天线的三维视图。天线采用上下馈点交叉形结构实现天线的宽频带工作，调整微带馈线长度L和宽度W，降低天线反射系数的同时，找到了确保带宽的最大值；在此结构上(依据四叶草总长度D + R1 + L要略小于1/4波长λ)对辐射单元上四叶草的半圆半径R1和三角贴片的长度D不断优化微处理，并引入四叶草上端的低频矩形枝节(矩形低频枝节长度XX宽度YY)以拓宽低频带宽。通过改变四叶草4个辐射贴片的间距及馈电位置改善天线的匹配同时增加天线带宽。四个四叶草结构在水平面均匀分布，介质板顶部放置2个四叶草辐射单元，底部放置2个四叶草辐射单元，分别形成两组对称阵子结构，作为天线辐射单元。从而实现斜45˚双线极化。其详细结构如图2(b)所示。天线馈电处加载微带馈线结构等效于分布电容，这样的加载是由于自身高度引入电感分量，进一步调节频率的匹配。因为过近的反射板会增加Q值与旁瓣，减小天线带宽和增益，因此天线最终的优化尺寸如表1所示。为了进一步验证天线的性能，根据优化尺寸制作天线实物如图2(c)所示。
Table 1. Parameter table of dual-element four-leaf clover antenna
表1. 双元四叶草天线参数表
3. 仿真及实测结果
3.1. 传导测试
该定向天线的传导测试在Agilent N5247A矢量网络分析仪中进行测量，由图3(a)可知，仿真实验天线系统的两个天线单元在所需工作频段(|S11|为3.06~4.67 GHz)内的反射系数低于−10 dB，通过优化单个四叶草辐射单元上长度R1和D，得出当R = 9.5 mm、D = 9.5 mm时，符合要求。由图3(b)可知，天线系统的两个天线单元之间的互耦在所需工作频段内均低于−20 dB，可以覆盖2~6 G频段。
由图3(c)中仿真与实测结果对比，该四叶草蝶形天线实测在所需工作频段2.84~4.78 GHz内的反射系数均可达−10 dB以下，在1.8~6 GHz频段内均满足−5 dB以下，基本覆盖电子侦收使用要求。
如图3(c)是实测矢量网络分析仪的反射系数。
(a) 双端口反射系数 
(b) 双端口传输系数 
(c) 反射系数仿真与实测对比图
Figure 3. Antenna system parameters
图3. 天线系统参数
电流分析如图4所示，如果对称振子的臂长超过0.65λ0 (λ0自由空间波长)，会出现旁瓣，使增益下降，这是因为臂上出现反向电流所致。所以此天线改善方法是振子形状的直线改为角形或曲线。如V形振子和高斯曲线振子，其思路是利用线上各点电流元之间射线的波程差的不同补偿电流的相位差。采用长度和角度可调的V形振子是最常用的选择，即可通过调节V形振子的长度和角度获得最佳的辐射特性。
3.2. 辐射测试
定向天线的辐射测试环境为Satimo-SG64 Anechoic Chamber system，如图5。天线系统在3.65 GHz中心频点的三维远场辐射示意图如图6(a)所示，两个天线单元的辐射方向图空间互补，可以提供较好的方向图分集对抗多径衰落。图6(b)给出了天线系统的辐射方向图，通过优化此时天线与反射板间距H = 15 mm，该四天线系统样机在所需工作频段内增益高于9.2 dBi。
(a) 辐射示意图
(b) 辐射方向图
Figure 6. Far-field radiation gain and direction pattern of antenna system
图6. 天线系统的远场辐射增益及方向图
如图6(b)所示，在中心频点(3.65 GHz)处双蝶形四叶草天线的3 dB波瓣宽度(phi = 0˚)为94度，(phi = 90˚)为93度，前后瓣抑制比14.6 dB满足接收侦收信号要求。
如图7所示为天线仿真和实测增益对比，二者具有良好的一致性，在工作频段(2.84~4.78 GHz)内增益为7.5~10.1 dBi，峰值增益Gain peak可达10.1 dBi，天线在大于3.5 GHz之后平均增益大于8.5 dBi，满足接收定向侦收天线增益要求。
如图8所示，该双蝶形天线在高频段(3.06~4.67 GHz)内效率大于60%，低频段(2.00 GHz~3.00 GHz)部分效率为55%，4670 MHz处峰值效率为85%。
Figure 8. Measured radiation efficiency of antenna
图8. 天线实测辐射效率
如表2，该天线与目前研究天线 [1] 相比，更适用于电子侦收频段且结构简单，与天线 [2] 相比，该天线作为定向天线全向辐射辐射性能更好，与天线 [3] 相比，带内增益大大提高至8.5~10.5 dBi，与天线 [4] 相比，该天线前后比提升165%，作为演进版更符合侦收天线要求，与天线 [6] 相比，辐射性能大大提升，与天线 [7] [8] 相比，带宽提高139%且不存在额外倾角。故本文设计的双元四叶草蝶形天线更满足小型化、超宽带和高增益的设计需求，适用于电子侦收天线需求。
Table 2. Final comparison of antenna parameters
表2. 天线参数最终对比
4. 结论
本文首先介绍了贴片定向天线的基本理论(渐变电长度路径法和±45˚交叉极化)，说明了其在技术应用上的优势。然后设计了一款双极化定向天线，工作在1.8~6.0 GHz波段。以双蝶形为天线本体，矩形为低频寄生枝节，利用方形反射器设计了双元蝶形四叶草定向天线。基于双极化天线理论设计了一款超宽带天线，然后利用单层方形反射器实现其定向性，并将反射器加载于扇形天线下方，在所需工作频段2.84~4.78 GHz内反射系数低于−10.0 dB的超宽带，并通过改变反射器的参数实现9.2 dBi增益，天线系统尺寸小于70*70*15 mm。通过调节辐射单元尺寸和反射板距离，证明了天线的性能。
通过本文研究可以得出，四个四叶草结构在水平面均匀分布，介质板顶部放置，在四叶草结构放置2个四叶草辐射单元，底部放置2个四叶草辐射单元。四叶草结构上端添加低频矩形枝节，再通过空间耦合，可以实现超宽带定向辐射性能。根据实测发现，该天线可以应用于电子帧收频段，根据与文件对比可知，该天线具有小型化高增益特性。
NOTES
*通讯作者。