小型化短波天線及其頻帶擴展方法

邱景輝，呂延明，陳立甲，楊彩田

(哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，150001 哈爾濱)

短波頻率范圍為3～30 MHz(波長10～100 m).短波通信廣泛應用于軍事、海事、航空系統以及全球廣播.如果不用昂貴的地面和衛星設施，那么短波通信就是唯一能夠覆蓋全球的通信方式.短波通信還是高緯度地區通信的可靠性方法，包括與移動物體通信例如追蹤飛機航跡［1］.短波天線不僅固定架設在地面上，而且安裝在移動設備上，如機載、車載、艦載［2］.工作在短波波段的天線一般尺寸在7 m左右，對于天線的制作、安裝、運輸和隱蔽都不利，物理尺寸是短波天線發展的一個主要障礙［3］.因此研究短波天線的小型化方案是當今國內外相關領域的熱點之一.由于天線性能與自由空間波長緊密聯系［4］，天線的工作波長越長，要求對應的物理尺寸就越大.因此天線的小型化將帶來其他指標如帶寬、增益等的犧牲［5］.如何在兼顧其他指標的情況下盡量減小天線的物理尺寸是國內外天線小型化研究的一個重點方向［6］.本文提出了一種新型寬帶小型化非對稱半球線柵偶極短波天線，該天線結構簡單，最大尺寸3.6 m，可以用50 Ω同軸線直接饋電而不需要饋電匹配網絡.利用CST MWS軟件對天線建模和仿真分析，并制作了天線的1∶5縮比模型進行實際測試.仿真和實測結果表明，該天線雖然是電小天線，但是-10 dB阻抗相對帶寬達到40%;若對其加載集總元件，則在3～30 MHz頻段內駐波比小于2.5.滿足小型化的同時兼顧了增益和效率，在短波通信、超視距雷達等領域有很好的應用前景.

1 天線設計

文獻［7-8］設計了一種新型半圓盤超寬帶全向天線，對此天線的結構做修改，并將尺寸放大到米級，用金屬絲代替金屬圓盤以減輕加大尺寸引起的質量加重并提高其抗風能力.據此得到本文設計的短波天線，其立體結構如圖1所示.

圖1 新型短波天線立體結構

由直徑3 mm銅絲彎折而成的8根半圓環組成天線的上下半球體結構.上半部分由4根半圓環在空間共圓心并相互交叉構成一個立體半球，圓環之間交角45°，與上方水平圓環相接并將其8等分，垂直半圓環與水平圓環的半徑都是r1=1 500 mm.下半部分與上半部分結構相同，只是尺寸略大并在交叉圓環底部與一個厚度為1 mm的鐵皮剪成的地板相連接，下方半圓環和地板的半徑均為r2=1 800 mm.天線繞Z軸旋轉對稱，但是對于XY平面不對稱，采用同軸線饋電，同軸線外導體外表面與下半球4個環的連接處緊密相接，內導體插入上半球4個環的連接處，能夠保證電流在天線豎直方向流向一致，饋電間距d=20 mm.

2 仿真和實驗結果

在CST MWS中建立天線模型并仿真，得到反射損耗曲線如圖2所示.可以看出天線在20～30 MHz頻段內反射損耗小于-10 dB，諧振頻率為23 MHz，阻抗相對帶寬達到40%.而具有相同諧振頻率的半波振子，其長度約為6.5 m，相對帶寬卻不超過10%.新型短波天線的高度只有3.3 m，其輻射體為上下兩組半球線柵，仿真得到的E面和H面方向圖與短偶極子一致，而且H面輻射有很好的全向性，在-10 dB阻抗帶寬內增益大于1.65 dB，效率高于90%.

圖2 天線反射損耗仿真曲線

即使天線的尺寸只有3 m多，但是加工制作也很麻煩，因此根據縮比原理手工制作了1∶5縮比模型天線，實物如圖3所示.

圖3 縮比模型天線實物

其中上下圓環插入PVC管中進行固定.使用安捷倫公司的E8363B型矢量網絡分析儀測量了縮比模型的反射損耗曲線和駐波比VSWR曲線，并與其仿真結果做比較，如圖4所示.

圖4 縮比模型天線仿真結果和實測結果對比

可以看出天線實物的諧振頻率比仿真結果的諧振頻率略低，這是由于手工制作中半圓環的長度與彎曲情況存在誤差，實際測試環境非自由空間(周圍物體吸收功率)也有一定影響.兩者反射損耗曲線和VSWR曲線走勢基本一致，-10 dB阻抗帶寬基本相同，縮比天線實測VSWR在84～200 MHz范圍內小于 3，根據縮比原理，這種3.3 m高的天線若制作成實物也將滿足17～40 MHz范圍內VSWR小于3，對于短波天線來說具有很好的寬帶特性.

3 用集總加載的方法展寬天線頻帶

在天線上某處或多處接入某種元件或網絡，能夠改變天線上的電流分布，繼而改善天線電特性，這種方法就是天線的加載［9］.如果加載后的天線電流更接近行波分布，那么就可以展寬天線的工作帶寬［10］.集總加載工藝簡單，實現容易，本文也采用此方法.

從仿真結果的史密斯圓圖發現天線輸入阻抗的虛部多為負值，也就是說輸入阻抗在工作頻帶內基本呈容性.因此采用簡單的電阻-電感串聯電路，將其并聯在靠近天線饋電部分的上下半圓環上，如圖5所示.

圖5 天線加載示意圖

通過計算選擇加載電阻R=51 Ω，加載電感L=1.05 μH.加載電路在水平方向上與同軸饋線的距離為x，在CST MWS中對加載位置x進行仿真掃描，發現不同加載位置對駐波比基本沒有影響.因此選擇在縮比模型中距饋電點水平方向x=30 mm處并聯電阻-電感串聯電路，并使用矢量網絡分析儀測量VSWR曲線，測量結果和仿真結果如圖6所示.可以看出，天線在15～200 MHz范圍內VSWR小于2.5，測量結果和仿真曲線基本一致，驗證了本文提出的加載方法能夠擴展天線阻抗帶寬.根據縮比原理，若原始尺寸天線使用此加載方法，就能夠在3～30 MHz范圍內與同軸饋線良好匹配.

圖6 縮比模型加載后仿真和測量的VSWR曲線

4 結論

本文在之前設計出的超寬帶半圓片天線基礎上，設計了一種新型寬帶小型化短波天線，仿真并加工測試了1:5縮比模型.結果證明該天線結構簡單，饋電方便，無需加載、不用匹配網絡就可以使阻抗相對帶寬達到40%，同時具有很高的增益和效率.討論了通過并聯加載電阻-電感串聯電路的方法來展寬天線頻帶，使 VSWR在3～30 MHz范圍內小于2.5，并進行了實驗驗證.這種短波天線在短波通信、超視距雷達等領域都有良好的應用前景.

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［5］Hosung C，Rogers R，HAO Ling.Design of electrically small wire antennas using genetic algorithm taking into consideration ofbandwidth and efficiency ［C］//Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium 2002. Piscataway:IEEE，2002:330-333.

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［7］陳立甲，張鵬宇，邱景輝.半圓盤超寬帶全向天線小型化及頻帶擴展方法的研究［C］//2011年全國微波毫米波會議論文集.青島:中國電子學會，2011:700-703.

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