溫頓天線小型化的研究

劉 宏

（國家新聞出版廣電總局二〇二臺， 西藏 拉薩 850030）

引言

溫頓天線是由溫頓在20世紀(jì)30至40年代發(fā)明的一種基于“奇波諧振”原理的偶極天線[1]。與普通中心饋電的1/4偶極子天線相比，溫頓饋電使用1:4或者1∶6巴倫，偏離天線一端約17%，僅用一副振子可以兼顧多個波段，因而在無線電收發(fā)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。溫頓天線作為一款成熟的天線，其特性也被挖掘很多，如三波段的溫頓天線在15 m波段性能不好，有添加的垂直饋線作為輻射體[2]。實際架設(shè)的溫頓天線一般選擇總長20 m，對于越來越擁擠的城市來說，可以架設(shè)如此長度的短波天線的平臺越來越少。因而，如果能保障天線性能的同時，適當(dāng)減小天線的尺寸是所有從事天線領(lǐng)域的人員所關(guān)注的。

短波天線小型化的研究很多，一般是適當(dāng)犧牲天線帶寬、增益、效率等性能指標(biāo)獲取較小的尺寸，如借助于加載技術(shù)、改變天線的結(jié)構(gòu)外形、添加匹配網(wǎng)絡(luò)等方面獲得性能較好的小型天線[3-7]。本文在不影響天線性能的前提下改變振子末端的結(jié)構(gòu)以及巴倫阻抗匹配，提出兩種工作于中短波的小型化溫頓天線，并在仿真軟件中進行驗證。

1 小型化溫頓天線的設(shè)計

設(shè)定常用溫頓天線一端長13.5 m，一端長度6.75 m，線徑0.012 5 m，匹配阻抗設(shè)定200 Ω，示意圖如圖1（a）所示。選定溫頓天線兩端長度一半作為參考對象，示意圖如圖1（b）所示。

圖1 溫頓天線折合演化

圖2 溫頓天線與長度一半的溫頓天線的反射系數(shù)

對比仿真溫頓天線圖1（a）及一半尺寸的溫頓天線圖1（b）的反射參數(shù)，結(jié)果如圖2所示：

圖2兩條曲線為原始溫頓天線（windom_initial）、尺寸一半的溫頓天線（windom_half）仿真結(jié)果。從圖2可以看出，設(shè)定其他參數(shù)不變，僅僅是減少溫頓天線的尺寸，則犧牲原有天線過多性能，得不到可以實用性的天線。借助于加載的思路，將原始溫頓天線縱向方向加載環(huán)。具體按照如圖1（c）加載方環(huán)，形成方環(huán)溫頓天線（windom_squarel），此時設(shè)定方框邊長為原有溫頓天線一端的1/3，以此類推，圖1（d）為加載三角環(huán)的溫頓天線（windom_triangle），三角框高度為一端的1/3，圖1（e）為加載圓環(huán)的溫頓天線（windom_ring），此時圓環(huán)直徑為一端的1/3，即這三種加載縮小溫頓天線縱向17%，借助仿真可計算出其反射參數(shù)如圖3所示：

圖3 溫頓天線及演化天線的反射參數(shù)

從圖3可知，將原始溫頓天線尺寸減少一半之后，分別加載正方環(huán)、三角環(huán)、圓環(huán)，即溫頓天線兩端縱向長度各縮短17%，所得諧振頻率均在原始溫頓天線諧振點附近，如原始溫頓天線第一諧振點7.54 MHz，諧振處反射系數(shù)-19.32 dB，第二諧振點14.66 MHz，諧振處反射系數(shù)-15.65 dB；加載方框的變形天線第一諧振點為8.18 MHz，諧振處反射系數(shù)-11.44 dB，第二諧振點為18.08MHz，諧振處反射系數(shù)-10.63dB；加載三角環(huán)的變形天線第一諧振點為8.75 MHz，諧振處反射系數(shù)-12.13 dB，第二諧振點為18.54 MHz，諧振處反射系數(shù)-11.33 dB；加載圓環(huán)的變形天線第一諧振點為7.05 MHz，諧振處反射系數(shù)-14.98 dB，第二諧振點為15.22 MHz，諧振處反射系數(shù)-19.93 dB。綜上說述，在減少一半的溫頓天線縱向加載環(huán)，并沒有較大偏離原有溫頓天線的頻點，甚至在15 MHz附近，加載圓環(huán)的小尺寸溫頓天線諧振深度優(yōu)于溫頓天線。這種頂部加載通過改變天線中的電流分布，改善天線的電特性，提高了天線的輻射電阻，達(dá)到天線小型化的目的[1，3，8]。

除了如上采取的與原天線在同一平面內(nèi)加載可以得到小尺寸溫頓天線外，也可以重新匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)天線小型化。

實際使用的溫頓天線阻抗一般使用200 Ω。當(dāng)溫頓天線長度縮減一半時，其阻抗已經(jīng)偏離，當(dāng)阻抗匹配為100 Ω時，與加載200 Ω的天線對比如圖4所示：

圖4 長度一半的溫頓天線匹配不同阻抗的反射參數(shù)

從圖4可以看出，匹配100 Ω的一半長度溫頓天線有明顯的兩個諧振點：第一諧振頻率為14.26MHz，諧振處反射系數(shù)為-21.80dB；第二諧振頻率為28.26MHz，諧振處反射系數(shù)為-27.93 dB，而匹配200 Ω的天線沒有明顯諧振。當(dāng)天線長度發(fā)生變化后，其阻抗發(fā)生了劇烈變化，良好的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以有效提高天線輻射效率，即使溫頓天線尺寸減小了50%，依然能正常使用[1,6]。

通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)，可以明顯減小天線尺寸，配合加載可以使得該手段更廣泛應(yīng)用。如實際使用中還希望根據(jù)實際情況調(diào)整固有長度的天線工作頻段。此時，可以通過將縮短一半長度的溫頓天線末端在垂直面加載交叉金屬桿實現(xiàn)天線的頂部加載來調(diào)節(jié)天線諧振頻率。具體實施如圖5所示：

圖5 溫頓天線與長度一半的天線末端加載示意圖

天線末端加載的金屬桿長度為天線一端長度的1/5[8]，直徑設(shè)定為0.0125 m，所得天線的反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 一半長度溫頓天線及加載不同數(shù)量的金屬棒的反射系數(shù)

從圖6可知，長度一半的溫頓天線，阻抗匹配100 Ω時，沒有任何加載時，有兩個明顯諧振頻率：第一諧振頻率為14.26 MHz，諧振處反射系數(shù)為-21.80 dB；第二諧振頻率為28.26 MHz，諧振處反射系數(shù)為-27.93 dB。加載兩個金屬棒之后，第一諧振點為10.98 MHz，諧振處反射系數(shù)-28.27 dB，第二諧振點為22.56 MHz，諧振處反射系數(shù)-19.90 dB；加載四個金屬棒后，第一諧振點為9.6 MHz，諧振處反射系數(shù)-28.35 dB，第二諧振點為20.78 MHz，諧振處反射系數(shù)-19.32 dB。綜上所述，加載金屬桿個數(shù)越多，天線諧振頻率越低，第一諧振點反射谷越深，第二諧振點反射谷越淺。

2 結(jié)語

溫頓天線作為一種簡捷、高效、易于自制的多波段的短波天線，一直受到無線電愛好者的重視。本文提出了兩種縮小溫頓天線的方法，第一種是通過縮小一半天線并縱向加載環(huán)，在保障天線性能的同時縮小了天線整體17%的長度，其中圓形環(huán)加載具有較好的諧振深度，是一種較理想加載；第二種方法是通過改變長度一半的溫頓天線的匹配網(wǎng)絡(luò)，在保障良好諧振的同時，不僅縮小溫頓天線50%，而且通過垂直面加載可以調(diào)節(jié)天線的工作頻段，是一種較實用的處理手段。這兩種設(shè)計思路對今后解決超短波波段的大尺寸天線具有一定的借鑒作用。

參考文獻

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[8] 趙秋穎，何輝文，王偉.直線型對數(shù)周期天線的小型化設(shè)計與仿真[C]//全國微波毫米波會議論文集，2015.