一種新型寬帶鞭狀套筒天線

康文臣，趙智兵

(國營第七一三廠研究所，江西九江332002)

0 引言

套筒單極子天線作為一種寬頻帶天線在現代化通信和遙感系統中已被廣泛采用。在實際應用中，套筒單極子天線通常置于有限大地板上［1，2］，且總高度通常取工作頻段下限頻率所對應波長的1/4［3］。正是基于這種安置，套筒單極子天線作為一種車載天線，已經顯現出它特有的結構簡單、重量相對較輕、方向圖穩定和帶寬較寬［4］等優點，其適用范圍也逐漸從短波、超短波天線發展到微波頻段［5］。但是在短波、超短波頻段內，為了讓天線實現寬頻段可靠增益的要求，天線的套筒直徑尺寸通常較大［6］，或者將天線的振子部分加粗，這給天線帶來2個缺點:一是總重量加大，不便攜帶;二是不便于安裝，需要和相應大小的地面配合。這也是套筒天線相對單極子天線的一個缺點，因此在保障寬頻帶阻抗帶寬以及相當可靠增益的前提下，研究如何減少套筒半徑和振子半徑相當有必要。在傳統的套筒單極子天線輻射振子外加共軸套［7］，或做成雙套筒結構［8］，或多級粗細不同振子串連形式［9－12］，這些結構都可以有效地展寬阻抗帶寬。

本文采用3層套筒單極子輻射體的模型，在滿足阻抗帶寬和增益等指標要求下，有效減少了天線的半徑，使得天線更易鞭狀化，便于加載到各種載體。地板的大小會對天線的輻射特性和阻抗特性產生影響，可以在天線的底部增加扼流圈，以減少天線對地板的依賴程度。

1 天線結構與設計

傳統套筒天線的結構如圖1所示，在普通單極子天線的外面罩上一個接地的金屬圓筒，能夠極大地改善單極子的工作特性。

圖1 傳統套筒天線結構

在該套筒天線結構中，L為上套筒長度，S為下套筒長度，D為下套筒直徑，d為上套筒直徑，套筒天線采用同軸線饋電。這些結構參數的選取是否恰當以及饋電點的位置都會影響到天線工作特性和工作頻帶范圍，當D/d=3、L/S=2.25時，套筒天線水平方向輻射性能最佳。但該結構在實際應用時存在以下2個缺點:

①地面位置對套筒帶寬影響較大，如果天線使用環境需要架高，則帶寬受限;

②下套筒的直徑過大，導致某些場合不適用(如背附式、手持式)。

為規避上述缺點，需要開發出一種小直徑、易鞭狀化、受地面影響不大的套筒天線形式，以實現寬帶水平輻射。本文提出的新型寬帶鞭狀套筒天線采用3層套筒形式實現，其結構如圖2所示。

圖2 新型鞭狀套筒天線結構

天線由內導體、上/下外套筒、內套筒、介質墊片、高頻短路片和饋電端口組成，該結構具有首創性。在該套筒天線結構中上/下套筒直徑相等，上套筒頂面短路，底面開路，與介質相連接，下套筒頂面開路與介質相連接，底面與內套筒外表面相連。上/下套筒是天線的主要輻射體，長度指標直接影響天線的諧振頻率，粗細指標對天線的帶寬影響較大。當上/下套筒長度比例在1.25:1時套筒寬帶效果最好，且地面對天線帶寬等性能影響可忽略。圖2中的高頻短路片主要起抑制高頻反向電流作用，使得天線在高頻端水平方向有一定的增益。它在一定位置將下層外套筒和內套筒相連接，當頻率變高時，天線輻射體上將會出現電壓波腹(反向電流)，短路片會在一定的頻率范圍內抑制這種波腹點。內套筒和內導體構成傳輸線，起寬帶阻抗匹配的作用，同時和下層外套筒在2個位置構成短路，起壓低高頻波瓣的作用。

若不計入各種非理想因素造成的損耗，該鞭狀套筒天線的等效電路結構如圖3所示。饋入能量通過2級套筒阻抗變換(等效成π型網絡)接入輻射體，并同時和短路片、上套筒并聯。

圖3 天線等效電路

圖3中，由于天線工作頻帶比較寬，短路片/上套筒必須近似等效成電感和電容的并聯(隨頻率的3階近似);輻射體電阻為外套筒的等效輻射電阻，由于能量是在諧振的過程中發射的，因此為并聯關系;短路片與輻射體形成的附加電容在高頻段時，外套筒上的電流通過短路片接地，因此和套筒表面電感是串聯關系，在低頻段附加電容值減小，影響變弱，符合實際情況。

從電路分析的角度，2級π型網絡實現了饋電端口阻抗實部和輻射電阻R之間的匹配，短路片、上套筒以及天線本身都各自形成并聯諧振電路，確保各諧振點之間的小頻率間隔，就能夠通過3頻諧振實現天線的寬帶匹配。

但是，天線的匹配帶寬變大并不一定意味著天線的水平增益變高，當頻率變高時，由于反向電流的出現，必然導致天線波束指向的變化，如果要使天線的水平方向在一個較寬的頻帶內保持一定增益，則短路片的位置至關重要。實際上，短路片加載的套筒構成2個套筒天線，隨著頻率的變化，電流發生自組織改變，保證了天線在很寬的頻帶內的水平增益。

2 天線性能測量與分析

依據上述理論分析，設計了一副工作頻率在220～600 MHz的鞭狀套筒天線，全頻段范圍內天線的水平方向增益要求大于0 dBi。依據圖2所示的天線結構，內導體的半徑、內套筒的長度和半徑可以通過天線能量饋入端口的輸入阻抗必須和同軸線特性阻抗50 Ω相匹配來確定。影響天線性能關鍵性結構參數如下:上/下套筒長度L1、L2，介質墊片長度L3以及高頻短路片位置L4。借助電磁仿真軟件，通過優化調節，可以得到當L1=285 mm、L2=335 mm、L3=60 mm和L4=160 mm時，天線總長度為680 mm，直徑為20 mm，天線電性能滿足設計要求。在天線加工的過程中，套筒采用銅管，內導體采用銅棒，先將內導體焊接好，再在上套筒上打定位裝置，確保內導體和上套筒的相對位置固定，再套入介質棒。下套筒采用和上套筒同樣的定位方法制作，實物如圖4所示。

圖4 鞭狀套筒天線實物

由于天線工作頻率比較低，水平增益在戶外兩樓頂之間進行測量，采用和半波振子對比測試的方法，半波振子天線采用可伸縮抽拉結構實現，保證不同測試頻點的天線都為標準半波長度(增益為2.15 dBi)，將不同頻段套筒天線測試數據和標準半波天線相比，天線水平方向增益的仿真值和測量值如圖5所示，在工作頻段內二者吻合較好。駐波比測試采用矢量網絡分析儀，天線駐波比的仿真與實際測量值如圖6和圖7所示。由于加工精度問題，駐波比測量數據和仿真數據有些差別，但實際應用中，這樣的駐波是可以接受的。

圖5 天線水平增益仿真值與測量值

圖6 天線駐波仿真值

圖7 天線駐波實測值

天線在工作帶寬內幾個典型頻點上的方向特性如圖8所示，可見在400 MHz以下頻段方向特性沒有裂瓣，400 MHz以上方向圖有裂瓣，水平方向增益會略有下降。但在220～600 MHz頻段內，天線的水平增益均在0 dBi以上，最高增益出現在330 MHz和570 MHz，達到2.5 dBi。

圖8 典型頻率處的方向圖

在圖2所示的鞭狀套筒天線圖中，上/下套筒長度L1、L2，介質墊片長度L3以及高頻短路片位置L4是影響該天線性能指標最為敏感和最為重要的參數。介質墊片的長度L3和天線的諧振頻率關系不大，只影響整體匹配性能，存在最優值。保持天線總長度L1+L2+L3=680 mm以及介質墊片長度L3=60 mm不變，改變上/下套筒長度比例K=L1/L3，得出的駐波特性如圖9所示;改變短路片的位置L4，得出的駐波圖如圖10所示;改變上套筒的長度L1，而其他參數保持不變，得出的駐波圖如圖11所示。

圖9 不同套筒長度比駐波圖

圖10 不同短路片位置駐波圖

圖11 不同上套筒長度駐波圖

從圖9、圖10和圖11中可以得到各結構參數變化對天線性能的影響如下:

①上/下套筒長度比例的變化，對天線中間頻段駐波性能影響較小，而對于高頻段和低頻段，影響較大。說明天線是由多個諧振頻率點組成的寬帶天線，且上、下套筒各自有諧振點(這也可以說明地面對天線性能影響變小)。

②短路片位置對高頻影響較大，對低頻影響較小，這說明下套筒對高頻能量輻射效率較高。此外從圖10中可以明顯看出上套筒、下套筒和短路片3個位置所決定的3個諧振頻率。

③當上套筒的長度L1變大時，這個諧振頻率向低頻移動，說明上套筒不僅決定低頻輻射效率，而且對高頻輻射效率也有貢獻。

3 結束語

傳統套筒單極子天線因具有良好的寬頻帶特性而得到較為廣泛的應用。在保持其基本電性能不變的情況下，提出了一種新型3層套筒天線結構形式，結合該天線的等效電路分析了該結構的可行性，設計了一副工作頻率范圍在220～600 MHz鞭狀套筒天線。測量結果表明，天線在工作頻段內匹配良好且在水平方向增益高于0 dBi，且該天線具有對地不敏感、套筒半徑小和易于鞭狀化等優點，適合超短波背負和車載環境使用。

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