應(yīng)急通信跨段中繼套筒單極子天線設(shè)計(jì)

徐衛(wèi)華，朱守正

(1.楚雄師范學(xué)院物電系，云南 楚雄 675000;2.華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241)

引言

在森林防火巡邏和應(yīng)急通信中，為了增強(qiáng)抗諧波干擾能力，經(jīng)常使用V/U跨段中繼構(gòu)成通信系統(tǒng);在業(yè)余無(wú)線電愛好者 (HAM)中，也存在數(shù)量不少的V/U跨段中繼臺(tái)，以及大量V/U雙段雙守的電臺(tái)。這些通信系統(tǒng)中的車載和移動(dòng)終端所使用的V/U雙段天線，通常是鞭狀直立天線。為了獲得雙段特性和阻抗匹配，鞭狀天線通常需要在單極子天線的基礎(chǔ)上增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或者進(jìn)行中間段的加載;為了獲得足夠的增益，還必須增加天線的長(zhǎng)度。例如，現(xiàn)有品牌天線 (DIAMOND:NR－770R)的長(zhǎng)度為1.02m，這樣的高度顯然不利于車載和移動(dòng)。若上述V/U雙段天線采用套筒天線，則總長(zhǎng)度將降低。但是地板的尺寸對(duì)天線的輸入阻抗和輻射方向圖有很大影響;并且地板半徑通常取不到一個(gè)波長(zhǎng)到數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，［1—3］很大的地板成為不利因素，如文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一付工作于200－700MHz頻段的套筒單極子天線，地板為3.0m×3.0m的鋁板。［4］因此如何減小地板甚至在某些情況下取消套筒以外的地板就變得很有意義。［5—6］

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

對(duì)單極子天線提高饋電點(diǎn)并附加套筒即構(gòu)成套筒單極子天線 (如圖1)。該天線具有超過(guò)一個(gè)倍頻程的帶寬，總長(zhǎng)度通常取為工作頻段下限頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。［7］在文獻(xiàn)中，提出了在天線底部增加套套筒取消地板的方案，但需要增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。［8］特別注意的是，文獻(xiàn)提出:套筒天線還具有雙頻帶特性，即雖然在頻段內(nèi)某些頻率上駐波值較大，但在高低兩個(gè)頻率之間具有較低的駐波值。［9］

綜上所述，如果直接取消套筒以外的地板，利用套筒天線的雙頻帶特性，使其駐波比較低的雙頻帶剛好在我們預(yù)期的V/U頻段內(nèi)，并且其它指標(biāo)也能滿足需要，則可得到一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的U/V雙段無(wú)地套筒單極子天線。

設(shè)計(jì)目標(biāo):在V/U應(yīng)急通信頻段 (V段:144.100MHz－145.000MHz;U段:433.000 MHz－433.500MHz)內(nèi)VSWR＜2。

1.2 原理

圖1 套筒單極子天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sleeve monopole antenna structure

從饋電點(diǎn)看進(jìn)去，形成兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò):一個(gè)是長(zhǎng)度為l2的同軸線變換網(wǎng)絡(luò)，同軸線外導(dǎo)體為套筒的上半部分 (相對(duì)于饋電點(diǎn))，內(nèi)導(dǎo)體為輻射振子的延伸部分，其特性阻抗為Z01。一個(gè)是長(zhǎng)度為l1的電抗網(wǎng)絡(luò)，它的外導(dǎo)體為套筒的下半部分，內(nèi)導(dǎo)體為同軸傳輸線的延伸，其特性阻抗為Z02。

饋電點(diǎn)的輸入阻抗等效于上述兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)阻抗的串聯(lián)，其輸入阻抗為

式中ZA是天線阻抗，它是輻射振子和套筒的輻射阻抗，β為相移常數(shù)。適當(dāng)選取l1、l2、a、b等參數(shù)，天線阻抗通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換，即可在相當(dāng)?shù)念l帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)與主饋線的良好匹配。

一般認(rèn)為套筒天線的輻射與阻抗特性主要取決于H/D、b/a、l2/l1，H/D 的最佳取值是 3。［7］

在取消地板并盡量減小套筒半徑的原則下，根據(jù)文獻(xiàn)的天線參數(shù)，［7，9］結(jié)合工程實(shí)際，采用型號(hào)為SFT－50－2－1的半剛單芯電纜作為同軸傳輸線，采用Q/YTG06－2001(B型)外經(jīng)為55mm的銅管為套筒，初步選擇參數(shù)如表1所示。

表1 套筒天線參數(shù)選擇Tab.1 Sleeve antenna parameter selection

2 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及天線性能分析

2.1 參數(shù)優(yōu)化

用HFSS的參數(shù)掃描分析功能對(duì)套筒高度D進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)“小表多排因素，分批走著瞧，在有苗頭出著重加密，在過(guò)稀處適當(dāng)加密”的正交優(yōu)化基本原理，［10］首先進(jìn)行粗掃。所得電壓駐波比曲線如圖2(選擇了3個(gè)典型值)。

圖2 不同套筒高度對(duì)應(yīng)的VSWR曲線Fig.2 Different sleeve heights versus VSWR curve

圖3 D＝386mm時(shí)的VSWR曲線Fig.3 VSWR versus frequency for D=386mm case

從圖3可知，取消地板以后，套筒單極子天線的寬頻帶特性變差，但是隨著套筒高度的增加，出現(xiàn)顯著的多頻帶特性。當(dāng)D=386mm時(shí)，其駐波比較低的雙頻帶剛好在我們預(yù)期的V/U頻段內(nèi)。優(yōu)化參數(shù)如表2。

表2 套筒天線優(yōu)化參數(shù)Tab.2 Sleeve antenna optimization parameters

圖4 D=386mm時(shí)的E面增益方向圖Fig.4 E－plane gain pattern for D=386mm case

2.2 天線性能分析

從圖3可知，VSWR小于2的頻率范圍是V段:127MHz－149MHz，帶寬22MHz;U段:417 MHz－450MHz，帶寬33MHz。滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖4可知，低頻段天線方向圖沒有出現(xiàn)副瓣，最大輻射方向出現(xiàn)在θ=92°的位置上。高頻段天線方向圖出現(xiàn)分裂，最大輻射方向出現(xiàn)在θ=52°和θ=126°的位置上。

3 結(jié)論

通過(guò)HFSS軟件仿真，研究了套筒單極子天線在無(wú)地板時(shí)的頻率特性。結(jié)果表明，取消地板以后，套筒天線的寬頻帶特性變差，但是出現(xiàn)了顯著的多頻帶特性。本文提出了一個(gè)無(wú)地板的套筒天線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程上的尺寸優(yōu)化，套筒和同軸電纜均為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，便于批量生產(chǎn)。仿真結(jié)果表明其在應(yīng)急通信跨段中繼的V/U雙段能夠滿足所需的頻帶寬度，并且具有很好的輻射特性。由于取消了地板，該天線的橫向尺度大為減小，便于車載和移動(dòng)使用。為套筒天線的多頻段應(yīng)用提出了一個(gè)新的實(shí)例。

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