對數周期陣列天線低頻增益優化仿真分析

鄒愛華，徐長武

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海 201619）

對數周期陣列天線低頻增益優化仿真分析

鄒愛華1，徐長武2

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海 201619）

利用計算機電磁仿真軟件，通過仿真試驗結果分析，對小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線進行低頻段（60 ～200 MHz）增益補償。優化后的小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線測試數據與仿真預期基本相符。仿真數據和實際測試數據表明：優化后的小型對數周期陣列天線從60 MHz頻率開始具有良好的電場特性，可以有效運用于汽車零部件和子系統的輻射抗擾測試。

偶極子；單極天線；對數周期陣列天線（LPDA）；垂直極化；仿真分析

無線電波是指在自由空間傳播的射頻頻段的電磁波，天線在通信、雷達、導航、廣播等領域廣泛應用，無線電波的發射和接收都需要由天線來實現［1］。對數周期陣列天線是一種寬帶定向天線，這種天線具有方向性好、頻帶寬、有一定增益等優點，其中應用廣泛的典型結構是由偶極子構成對數周期振子。電磁波場強輻射抗擾測試廣泛運用于汽車零部件和子系統驗證測試，有些設備制造商（OEMs）可能需要從100 MHz甚至更低頻點開始執行測試。目前，測試通常是在半電波暗室，要求天線到零件正面距離為1m，例如遵守國際無線電干擾委員會CISPR25的暗室。為滿足從低頻60 MHz開始的垂直極化能力達到100 V/m的輻射電磁波場強，需要采用大尺寸的天線，而在小暗室使用大尺寸天線不符合國際標準組織的ISO11452-2［2］要求。本文主要通過計算機電磁仿真結果設計低頻段（60～200 MHz）增益補償的小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線，該天線低頻段的垂直極化能力達到100 V/m。

1 對數周期陣列天線基本參數

對數周期陣列天線設計的目的是具有很寬的帶寬。理論上可達到的帶寬是無限的。然而，帶寬實現依賴于天線結構的尺寸和天線的精度，大尺寸天線具有較低工作頻率以及更精確的高頻特性。對數周期陣列天線能夠很好地提高整體增益和提供分集接收能力［3］。

圖1 典型對數周期陣列天線

對數周期陣列天線是由幾個不同長度和位置的偶極子振子［4-5］構成，如圖1所示。在實際的應用中，為了增強天線的方向性，提高增益，獲得更高的功率，可以采用將對數周期陣列天線進行組陣的方法來實現。將對數周期陣列天線在空間范圍內按一定角度進行組陣，可以大大增加天線的發射接收功率，擴寬天線有效頻率范圍，提高天線增益。一個精心設計的對數周期陣列天線需要滿足以下要求：寬的帶寬，低電壓駐波系數（VSWR），平坦的高增益和良好的方向性。它可獲得增益超出全向輻射器近9.5 dB。

對數周期陣列天線頻率與電參數無關，例如阻抗R0，饋線特性阻抗Z0，以及導納Y0，而是隨著頻率的對數呈周期性變化。例如，低頻點f1，變化為帶寬范圍內的頻率f2，則f2= f1/τ， τ為周期常數，τ<1.0，則

如圖2所示，周期常數τ取決與振子的長度L， 以及振子間距d，S 是槽間距，Zo天線饋線阻抗。

圖2 對數周期陣列天線模型

偶極子長度Ln=τ/（n-1）

周期常數τ計算如下

式中：Ln——第n個振子的長度；dn——第n個振子與第n-1個振子的間距。

小型對數周期陣列天線增益可由周期常數τ及間隔因子σ求出

小型對數周期陣列天線由2個對數周期陣列天線組成，增益可以提高3～5 dB［6］.

2 優化后小型對數周期陣列天線

根據上述天線設計方法，采用不同長度陣列組成對數天線可以提高頻率范圍，因為天線帶寬范圍與周期常數τ有關，天線的輸入阻抗取決于偶極子的特性阻抗。

因此，采用電磁仿真軟件仿真得到比原始小型對數周期陣列天線（圖3）更加優化的偶極子振子長度。小型對數周期陣列天線有4個對數天線：L（1）、 L（2）、L（3） 和 L（4） 。優化低頻增益所需對應的振子為L（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1（圖4）。對于原始對數周期陣列天線，L（1，4）1和L（2，3）1 頻率大約在 200 MHz，L（1，4）2 頻率大約在 220 MHz。這些振子呈幾何對稱分布，L（1，4）1和L（2，3）1長度為454 mm ， L（1，4）2長度為375 mm。

圖3 原始小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線

圖4 原始小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線需要優化的振子

原始小型對數周期陣列天線的有效頻寬是200 MHz～4 GHz。優化后小型對數周期陣列天線低頻擴寬為60～200 MHz。如圖4所示，6個振子［L（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1］決定了優化后的低頻帶寬。根據設備制造商（OEMs）輻射抗擾要求，需要100～400 MHz垂直極化測試。因此，我們通過這6個振子計算出長度［6］，設計優化后小型對數周期陣列天線，如圖5所示。

仿真中，輻射邊界（Radiation）就是一種模擬輻射到空間的無限遠處的吸收邊界條件。在輻射邊界表面，二階輻射邊界條件如下［6-7］。

式中：Etan——表面電場的切向分量；k0——自由空間相位常數

圖5 優化后小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線

天線的遠場輻射特性是輻射邊界面上的積分而獲得，所以在輻射邊界上的手動網格細化可以提高天線遠場輻射特性的計算精度［7］。圖6為仿真軟件中建立的天線模型。

圖6 優化后小型對數周期陣列輻射抗擾測試天線輻射邊界

3 仿真和測試結果

根據計算機軟件仿真和計算結果（仿真頻率設置為100 MHz），優化后的長度L（1，4）1’、L（1，4）2’ 和 L（2，3）1’ 大約為720 mm、560 mm 和1140 mm。仿真結果表明優化后天線低頻段60～200 MHz 的電壓駐波比（VSWR）和增益得到顯著提高，200 MHZ～1 GHz的VSWR與原天線基本吻合。

比較VSWR仿真結果（圖7）和實際測試結果（圖8），原始小型對數周期陣列天線在165.7 MHz～1 GHz頻段內VSWR值在2.5以內，小于165.7 MHz頻段駐波比遠大于2.5，仿真結果符合原天線規格；優化后對數周期陣列天線與仿真結果非常接近，在60 MHz～1 GHz頻段內VSWR值在2.5以內，低頻擴頻效果比較理想。

同樣，從最大增益仿真圖看，增益也得到了很大提高。原始對數周期陣列天線最大增益是-1.6 dBi，優化后對數周期陣列天線的增益是2.85 dBi，最大增益提高近4 dBi。如圖9、圖10所示。

為了在實際環境中驗證仿真的結果，我們以100 V/m 作為輻射電磁場強度為目標在半電波暗室進行測試，圖11為60～200 MHz頻帶內場強測試結果曲線，優化后對數周期陣列天線的垂直極化能力達到100 V/m的輻射電磁波場強。

圖7 原始和優化后小型對數周期陣列天線的VSWR仿真結果對比

圖8 原始和優化后小型對數周期陣列天線的VSWR實測結果對比

圖9 原始小型對數周期陣列天線仿真增益（仿真頻率設置為100 MHz）

4 結論

從仿真和暗室數據看，仿真軟件建模仿真與暗室實際測試數據相近，這說明優化后的低頻段增益補償的小型對數周期陣列輻射抗擾天線設計方案是合理的，利用電磁仿真具有一定的指導意義。從60～200 MHz，電壓駐波比VSWR小于2.5：1，增益提高了4.0 dBi，60 MHz頻點開始直極化能力達到100 V/m的輻射電磁波場強。EMC工程師可以把該天線有效運用于汽車零部件和子系統的輻射抗擾測試。

圖10 優化后小型對數周期陣列天線仿真增益（仿真頻率設置為100 MHz）

圖11 100 V/m的輻射電磁波場強實際測試結果

［1］ 王新穩，李延平，李萍.微波技術與天線［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］ ISO 11452-2：2004，Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 2：Absorberlined shielded enclosure［S］.

［3］ CarreL，The Design of Log-Periodic DipoLe Antennas［G］，1961 IRE InternationaL Convention Record，61-75，Part 1.LLL

［4］ 朱丹丹.天線陣列優化研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［5］ Larricoals，P. J. B. Propagation and antennas for mobile communications.London Institution of Eectrical Engineers［S］，2003.

［6］ The Log-periodic Dipole Array［OL］ .http：//www.salsburg.com/Log-.

［7］ 謝擁軍，劉瑩，李磊，等.HFSS原理與工程應用［M］.北京：科學出版社，2009.

（編輯 凌 波）

Simulation Analysis on LPDA Low Frequency Gain Optimization

ZOU Ai-hua1， XU Chang-wu2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201；2. Shanghai Baolong Automotive Corporation， Shanghai 201619， China)

In this article， an optimized low frequency gain (from 60～200 MHz) of a small log periodic dipole array antenna（LPDA）is presented from the simulation results of the High Frequency Structure Simulator (HFSS)software. The actual results of the optimized small dual stacked LPDA match simulation expectation. Both results prove that this optimized LPDA can apply to the immunity testing for automotive components and sub-system and has a good performance in E-field characteristic from 60 MHz.

dipole；monopole antenna；LPDA；vertical polarization；simulated analysis

U463.673

A

1003-8639（2017）07-0058-04

2017-03-27

鄒愛華（1978-），女，福建人，主要從事汽車電子電磁兼容工作；徐長武（1983-），男，主要從事汽車電子射頻設計工作。