基于VHF頻段的彎折面頂加載天線設計

關 羽，曹衛平，2，謝 锎

( 1．桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004;2．桂林電子科技大學 認知無線電與信息處理重點實驗室，廣西 桂林 541004)

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基于VHF頻段的彎折面頂加載天線設計

關 羽1，曹衛平1，2，謝 锎1

( 1．桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004;2．桂林電子科技大學 認知無線電與信息處理重點實驗室，廣西 桂林 541004)

為了提高機載單極子天線的終端匹配性能，實現天線的小型化，設計了一種VHF頻段頂加載與彎折面式的機載刀型天線。采用頂載技術與彎折線理論構建天線結構模型，并且運用遺傳算法和數值優化等方法對天線電性能進行分析。仿真分析與實物測試結果表明，在105～265 MHz頻段范圍內滿足S11≤10 dB，達到相對帶寬86.5%，為工程設計提供了良好的理論依據。

機載天線；頂加載；彎折線；寬帶

0 引言

現代航空通信系統的發展日新月異[1]，對天線小型化、高增益的要求也越來越高。在眾多的天線形式中，單極子天線因具有結構簡單，饋電方式容易實現，橫向剖面尺寸小和全向輻射特性強等優點，故得到了廣泛的運用[2]。依據單機天線原理，結合加載技術，匹配技術等可以拓展天線帶寬[3]。但傳統的運用于飛行器環境下單極子機載天線[4]，由于終端匹配不理想以或彎折線技術的有限運用[5]，無法在保證天線在小型化時獲取寬帶寬。文獻[6]結合折合振子理論，有利于天線小型化，但天線帶寬只有10%。為改善匹配和天線的小型化，提高天線增益，文獻[7]改進單極子機載天線結構，運用有耗或無耗加載技術，有效地減小了天線的剖面尺寸，拓展了天線帶寬，類似的結構在文獻[8-9]得到運用。為此，結合彎折線與頂加載單極子技術，運用彎折面天線結構，設計了一種適用于機載VHF頻段通信的寬帶小型化天線。

1 單極子加載與彎折線理論分析

1.1 頂加載單極子天線的理論分析

作為天線小型化的重要技術之一[10]，頂加載技術在現代天線設計中被廣泛使用。其主要方式是在短單極子振子天線頂部或末端加金屬圓片、金屬小球發散狀葉片來進行頂部加載[11]。通過改變天線上的電流分布，降低天線的諧振頻率。為實現小型化的目的，頂加載是一種簡單實用的方法。金屬球或圓片對地存在著分布電容，這就使得天線頂部或末端不再是電流波節點，從而提高了單極子天線的輻射能力。

假設頂部加載的靜態電容為C0，此電容部分可以等效為長h′的一線段，即

(1)

式中，ρA為天線的特性阻抗；β為天線電流波的相位常數。設天線的表面電流分布成正弦分布，即

(2)

式中，h0=h+h′，h為天線的實際高度；z為天線上任意一點到饋電點的距離。因此得到有關輸入電流I0的有效高度為：

(3)

針對電小天線范圍，此時h0遠小于中心頻率對應的波長，則式(3)可簡化為：

(4)

對于式(4)中，由于h/h0<1，所以hc>0.5h，這說明了對于頂部加載的單極子天線，其有效高度更大。由于天線頂端不再是開路，電流波腹點的位置上移，天線表面電流沿線分布較為均勻。

1.2 彎折線單極子天線的理論分析

對于細線單極子天線，設高度為h，此時單極子天線的等效自感Ls為：

(5)

式中，d為單極子天線的直徑。

當單極子天線的高度與工作頻率滿足h≈0.24λ，即單極子天線處于諧振狀態，此時單極子天線的等效自感與諧振頻率之間滿足下列關系：

(6)

式中 ，λ為單極子天線的諧振波長。

簡單結構的彎折線天線的諧振頻率可以近似的由電感電路模型計算得到[12]。此處單一的彎折結構等效為一個電感，如圖1所示。運用傳輸線等效理論，可以確定彎折結構的等效電感。每個彎折結構的特性阻抗為：

(7)

式中，s為彎折結構的總想長度。每一個彎折結構的等效電感LM，通過其輸入阻抗可以確定，即

(8)

式中，l為彎折結構的橫向長度；ω為角頻率。

因此，得到高度為h的彎折線天線的電感L為：

L=Ls+NLM。

(9)

式中，Ls為天線垂直高度上的自感；LM為彎折結構的等效電感，兩參數均可由式(6)和式(8)得到；N為彎折結構的個數。用式(9)中的L替換式(6)中的Ls，則可以近似地得到與單極子天線高度同為h的彎折天線的諧振頻率，即

(10)

式中，λ為待求得諧振頻率波長。由于式(10)兩邊都含有未知數，因此該式為非線性方程，可以通過最優化的方式進行求解。

圖1 彎折線單極子天線等效的電感模型

2 單極子的頂加載與彎折線聯合仿真分析

2.1 單極子的頂加載仿真

根據以上理論分析[14]，結合文獻[15]計算得到頂加載橫桿的結構如圖2(a)所示，對比不加載橫桿的單極子板狀天線如圖2(b)所示，得到反射系數如圖3所示。圖2(a)和圖2(b)兩天線的高度都設置為480 mm，厚度4 mm。由于圖2(a)天線頂部加載水平橫桿，橫桿長度為140 mm，從饋電點到達橫桿末端，電流流經的路徑明顯大于圖2(b)天線。結合圖3分析，圖2(a)天線的第一諧振點在138.7 MHz，諧振處反射系數為-13.81 dB；圖2(b)天線第一諧振點在144.82 MHz，諧振處反射系數為-12.96 dB。在低頻范圍，加載后的圖2(a)天線由于電長度的增加，反射系數明顯小于未加載的圖2(b)天線。即頂加載的天線，其諧振頻率會降低反射系數也會減小。

圖2 單極子天線

圖3 單極子反射系數對比

2.2 單極子的頂加載聯合彎折面的仿真與實測分析

為了進一步降低天線的諧振頻率，在橫向保持天線平板特性，和寬帶匹配特性[14]。在縱向引入彎折線思想，設計的天線如圖4所示。天線高度為480 mm，頂部水平橫桿長度為140 mm，彎折面及天線整體厚度為4 mm。彎折結構設計中，彎折的長度與寬度均為40 mm，為進一步優化設計，圓滑過渡轉彎部分。

圖4 彎折面與頂加載單極子天線

圖5給出了未加載、只加載水平橫桿和加載水平橫桿和彎折面結構3種單極子天線的反射系數曲線。通過分析可以看出，彎折面與頂加載單極子天線的第一諧振點在132.2 MH，諧振處反射系數為-16.33 dB。相比于只加載橫桿的天線，諧振頻率降低了6.5 MHz，反射系數下降了2.52 dB。從圖6給出的實測結果可以看出，天線的諧振頻率向低端偏移。因此，彎折結構對天線的電長度提高明顯。

對于VHF頻段，天線的縱向高度在不發生明顯變化時，諧振頻率每向低頻段偏移1 MHz就能夠使天線有效高度提高幾十甚至幾百mm。而對于VHF的低頻端，高度提升的相對值更大。頂部加載與彎折面結構提高了天線的有效電長度，從而提高了天線的輻射電阻和效率。

圖5 3種情況單極子反射系數對比

圖6 實測結果

3 結束語

VHF通信在現代機載通信中發揮了重要作用。介紹了機載天線小型化的設計方法，運用頂部加載技術，結合折彎線思想，對單極子天線進行了仿真設計與實物測試。對比分析了頂加載橫桿、加載折彎面對天線反射系數的影響。通過實測，驗證了設計的可行性，實現了天線的小型化。

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關 羽 男，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：寬帶電小天線、智能天線。

曹衛平 男，(1971—)，博士，教授。主要研究方向：寬帶電小天線、智能天線和超電磁介質材料的應用。

Design of Top-loaded Antenna with Meander Surfaces Based on VHF Band

GUAN Yu1,CAO Wei-ping1，2,XIE Kai1

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China; 2.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

A top-loaded antenna structure with meander surfaces in VHF band is designed,which can not only improve the terminal match performance of monopole airborne antenna,but also meet the miniaturization requirements.The structure of the antenna model is constructed by using the top-loaded technology and the meander line theory.And the electric performance of the antenna is analyzed by genetic algorithm and numerical optimization.The simulation and test results show that the antenna has a good radiation performance and is well matched with a 86.5% relative impedance bandwidth,withS11≤-10 dB,in the band of 105～265 MHz．It can provide a correlative theoretical basis for the engineering design.

airborne antenna;top-loaded;meander line;broadband

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.13

關 羽，曹衛平，謝 锎.基于VHF頻段的彎折面頂加載天線設計[J].無線電工程,2016,46(12):51-53,57.

2016-08-28基金項目:國家自然科學基金資助項目(61361005，61001020，61461016)；桂林電子科技大學研究生教育創新計劃資助項目(YJCXS201526)。

TN822+.4

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1003-3106(2016)12-0051-03