缺口對環(huán)天線的影響

劉 宏

（國家新聞出版廣電總局二〇二臺，西藏 拉薩 850030）

引言

環(huán)形天線是一種閉路天線[1]。常見的環(huán)天線是將一根金屬導線繞成一定形狀，以兩端靠近作為輸出端的一種天線。一般按環(huán)天線尺寸可以分為小環(huán)天線與大環(huán)天線，后者的理論值近似于兩根距離1/4波長的偶極子天線[2]。因為具有體積小、重量輕、攜帶和架設靈活方便，工作在諧振狀態(tài)的高Q值的特點使得環(huán)天線在無線電監(jiān)測領域有廣泛的應用。但是環(huán)天線的缺點也較為明顯，如帶寬窄、頻段較為固定等，因而在中短波發(fā)射接收中應用較少。本文提出一種簡易改進單環(huán)天線的設計，有效克服單環(huán)天線的單頻性，同時可以根據缺口的位置、大小調整相應的諧振頻率與諧振深度，最后通過表面電流的分布解釋這種設計的有效性。

1 天線的設計

普通的環(huán)天線不論其形狀如何，它們都有一個共同特點，即天線以中心垂直軸線完全對稱，并且可以繞中心垂直軸自由旋轉，這種特性可以使得環(huán)天線應用于無線電測向領域[3]，但是其單頻特性并不適合應用于無線電發(fā)射接收等領域。因而本文提出在環(huán)天線一側相應開口，引入缺口改變環(huán)天線表面電流分布，達到多頻諧振與諧振頻率可調節(jié)等目的，具體設計如圖1所示。

2 缺口環(huán)天線的仿真分析

選定一個外環(huán)半徑3.5 m、內環(huán)3.49 m的銅環(huán)天線，分別研究開口位置與開口大小對天線性能的影響。

2.1 缺口位置對天線性能的影響

如圖1所示，以銅環(huán)天線圓心為頂點，以圓心到饋線端中心為圓弧起始線，旋轉α的角度確定缺口位置。為簡潔結果說明，α角度為45°和60°較為典型，因此只摘出兩個角度說明缺口環(huán)天線的特性，天線結構如圖2所示。

圖1 缺口環(huán)天線的設計

圖2 缺口位置為45°和60°時仿真結構圖

天線的反射系數(shù)的仿真結果如下頁圖3所示。

從圖3可知，沒有缺口的普通環(huán)天線，為單一諧振頻率，此時諧振點為14.3 MHz，反射系數(shù)-15.83 dB。當缺口位置在45°時，以-10 dB為界，有明顯的雙頻段，第一諧振點為6.48 MHz，反射系數(shù)為-18.54 db；第二諧振點為20.3 MHz，反射系數(shù)為-11.35 dB。當缺口位置在60°時，以-10 dB為界，有明顯的三頻段，第一諧振點為6 MHz，反射系數(shù)-14.15 dB；第二諧振點為14.54 MHz，反射系數(shù)為-12.24 dB；第三諧振點為19.18 MHz，反射系數(shù)為-10 dB。綜上所述，當其他條件不變的情況下，缺口的位置會改變環(huán)天線的諧振頻率、諧振深度、頻段的個數(shù)。

圖3 缺口位置為45°和60°時反射系數(shù)

2.2 研究缺口大小對環(huán)天線的影響

當把缺口位置為60°時，缺口大小從0.02 m變化為0.08 m，以0.02 m為間隔時，得出來的反射系數(shù)如圖4所示。

圖4 缺口大小變化時的反射系數(shù)

從圖4可以看出，缺口大小的變化并沒有明顯改變諧振頻率，只是對每個頻點的諧振深度有所影響。如當缺口為0.08 m時，第一個諧振點為6.32 MHz，反射系數(shù)為-18.16 dB；第二個諧振點為14.34 MHz，反射系數(shù)為-11.14 dB；第三個諧振點為20.1 MHz，反射系數(shù)為-12.20 dB。

3 缺口環(huán)天線的仿真結果分析

通過仿真軟件找到普通環(huán)天線，與缺口位置在45°與60°的環(huán)天線在諧振點附近的表面電流，匯總如表1所示。

表1 普通環(huán)天線與缺口環(huán)天線表面電流在各自頻點下的表面電流圖

如表1所示，沒有缺口的普通環(huán)天線，只有一種電流模式，因而只有一個諧振頻率。而由于缺口的存在，導致普通環(huán)天線被分割，在被激勵時，形成了不同的表面電流。當缺口在60°時，表面電流有三種模式，因此有三個不同的頻點；當缺口在45°時，表面電流有一強一弱兩種模式，因此第一個頻點反射系數(shù)大，諧振深度大。因為缺口的大小并不會導致電流模式的改變，因此在實際使用中可以根據實際情況引入缺口。

4 結語

普通環(huán)天線因為其封閉性，只有單一固定諧振頻率，在實際使用中受到限制。而當引入缺口之后，使用中會被分割出不同的電流模式。通過控制缺口位置，可以諧振出多頻；引入的缺口的大小并不會導致頻率明顯偏移，因此在實際使用中可以根據實際情況引入缺口，這兩點在拓展環(huán)天線的應用領域具有極大的意義。

[1]BalanisC A.Antennatheory:Analysisanddesign[J].IEEE Antennas&Propagation Society Newsletter，2003，24（6）：28-29.

[2]美國業(yè)余無線電轉播聯(lián)盟，匡磊，陳榮標.天線手冊[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]張洪順.無線電監(jiān)測與測向定位[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.