一種定向短波中低仰角接收天線小型化設(shè)計(jì)*

于子瑤，吳華寧

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北，武漢，430000）

0 引言

對(duì)數(shù)周期天線是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有極為優(yōu)良電特性的寬頻帶天線，它的用途是極其廣泛的，可以保證寬頻帶和通信范圍遠(yuǎn)覆蓋[3]。在受限的地域面積范圍內(nèi)往往很難容納占地龐大的對(duì)數(shù)周期天線，例如工作于短波頻段通常有尺寸為60m×60m 的對(duì)數(shù)周期天線。因此天線小型化的研究方向一直被研究者所關(guān)注。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種小型化的對(duì)數(shù)周期天線，工作在短波3～30MHz 頻段，尺寸為22.85m×17.8m。采用彎折振子和尾部附加枝節(jié)以及加載電感對(duì)橫向尺寸進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)之初選用大τ小σ的組合對(duì)縱向尺寸進(jìn)行限制[4]，經(jīng)過(guò)FEKO 軟件的仿真，該天線全頻段駐波比小于2.5，主用頻段平均增益為10dBi，波束寬度大于80°。

1 天線參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真

1.1 主用頻段天線設(shè)計(jì)與仿真

對(duì)數(shù)周期天線的簡(jiǎn)化模型如圖1 所示，其按一定比例關(guān)系排列而成。當(dāng)對(duì)數(shù)周期天線在工作頻帶時(shí)，與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的振子(ln≈λ/2)形成有效的輻射區(qū),其前后形成引向區(qū)和反射區(qū)，從而使得天線具有良好的阻抗特性和均衡的前向增益。

圖1 LPDA 簡(jiǎn)化模型

結(jié)合分析和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了工作在主用頻段6～30MHz 的LPDA 天線，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LPDA 設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮天線的小型化，用FEKO 軟件對(duì)天線振子不同彎折角度下的特性進(jìn)行仿真，取振子半徑為0.003m，材料為銅。選取夾角因子為0.88，第一對(duì)振子夾角 取值如下：10°、20°、30°和40°。

圖2 給出了不同彎折角度下的天線性能圖。圖2（a）給出了對(duì)數(shù)周期天線的增益隨頻率變換曲線。可以發(fā)現(xiàn)，彎折角度的大小對(duì)低頻段增益影響較大，彎折角度越大，低頻增益下降越多。

圖2（b）給出了不同彎折角度下對(duì)數(shù)周期天線的駐波比隨頻率變換曲線（參考電阻為200Ohm）?？梢园l(fā)現(xiàn)，彎折角度的大小對(duì)低頻段駐波有一定影響，彎折角度越大，低頻駐波變化越大。

圖2（c）給出了不同彎折角度下對(duì)數(shù)周期天線的波束寬度隨頻率變換曲線。從圖中可知，低頻段角度越大，波束寬度越寬，而在高頻段，呈現(xiàn)交錯(cuò)的趨勢(shì)，考慮高頻段所有頻點(diǎn)最小波束寬度，30°的夾角最優(yōu)。

圖2 不同夾角θ 下的天線性能

1.2 低頻段天線設(shè)計(jì)與仿真

在上述主用頻段天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，確定增加2 對(duì)振子拓寬低頻段帶寬至3MHz，加載電阻阻值為95Ohm，延長(zhǎng)尾部傳輸線長(zhǎng)度為5m，附加枝節(jié)段長(zhǎng)度為2m，這樣保證了對(duì)數(shù)周期天線的全頻段駐波比、增益和波束寬度等特性達(dá)到最優(yōu)。

下面討論加載電感對(duì)天線性能的影響。在每個(gè)振子根部加一個(gè)電感，共加四組八個(gè)，選取電感為5μH，電感因子取值如下：0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6。

圖3 給出了不同電感因子下的天線性能圖。圖3（a）給出了天線駐波曲線圖。可以看出，電感因子越小，低頻段駐波越好。

圖3（b）給出了不同電感因子下的天線增益曲線圖?？梢钥闯?，不同電感因子對(duì)天線增益影響較小。低頻段電感因子越大，增益越??；對(duì)于高頻段不同的電感因子，增益有稍微的波動(dòng)。

圖3（c）給出了不同電感因子下的天線波束寬度曲線圖?？梢钥闯觯哳l段不同電感因子下的天線波束寬度較一致，中間頻段和最高頻段處稍有波動(dòng)，但全頻段波束寬度均良好。

圖3 不同電感因子下的天線性能

2 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述設(shè)計(jì)，增加支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)：橫梁長(zhǎng)34m，大致架設(shè)在傳輸線中心位置。橫梁采用金屬鐵制結(jié)構(gòu)，架設(shè)方向與振子平行，勢(shì)必導(dǎo)致上面出現(xiàn)較大的感應(yīng)電流，導(dǎo)致天線性能惡化。如圖4 所示，加支撐結(jié)構(gòu)后，天線的駐波比發(fā)生了突變。

圖4 加支撐結(jié)構(gòu)前后天線駐波變化圖

圖5 加支撐結(jié)構(gòu)后振子上的電流分布

從圖5 中的電流分布可知，橫向的支撐結(jié)構(gòu)上感應(yīng)了較強(qiáng)的電流，導(dǎo)致天線駐波比變差。為消除這種影響，采用在橫向支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置斷點(diǎn)。為優(yōu)化設(shè)計(jì)，共需在橫向支撐結(jié)構(gòu)兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)斷點(diǎn)，對(duì)稱分布，斷點(diǎn)位于橫向支撐結(jié)構(gòu)中心為±2m 和±10m 的位置。

圖6 給出了完整結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)周期天線模型。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對(duì)數(shù)周期天線模型

圖7 給出了天線完整結(jié)構(gòu)的駐波比曲線，在短波全頻段天線駐波均不超過(guò)2.5。

圖8 給出了天線的增益仿真結(jié)果，結(jié)果表明：天線在主用頻段具有平均增益10dBi，天線在低頻段增益較低，這是因?yàn)樘炀€大幅壓縮了縱向尺寸，其在低頻工作時(shí)，輻射區(qū)內(nèi)有效輻射振子少的緣故。

圖9 給出了不同頻率下H 面方向圖，可以看出，波束寬度均在80°以上。

圖7 對(duì)數(shù)周期天線駐波比

圖8 對(duì)數(shù)周期天線增益

圖9 水平面方向圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)用彎折偶極子的方式來(lái)增大電流路徑從而降低諧振頻率出發(fā)(此處表示結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究起點(diǎn))，以加載電容或電感的方式，拓展了工作頻率至短波全頻段，設(shè)計(jì)出了一種小型化的對(duì)數(shù)周期接收天線。天線長(zhǎng)度僅22.85m，平均增益可達(dá)10dBi。仿真和研究結(jié)果表明，天線可以在有限的場(chǎng)地范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)短波寬頻帶和遠(yuǎn)距離通信，有效地實(shí)現(xiàn)資源集約化。