頂端加載圓環的應用研究

劉 宏

（國家新聞出版廣電總局二〇二臺， 西藏 拉薩 850030）

引言

長線天線是能用于短波波段的遠距離通信天線的最簡單型式，也是其他天線的研究基礎。偶極子天線是以平行傳輸線為基礎演化而成，與簡單的長線天線相比，是有輸入輸出信號較大、方向性較好、信噪比改善等優點，其缺點也較為明顯，只能在有限的頻率范圍內使用，才能獲得近于最佳的效果[1]。這意味著在實際應用過程中，用一個波段就得設計一個半波振子。這種單頻性也限制了偶極子天線在廣播收發領域更廣闊地應用。

關于擴展偶極子天線的多頻性，相關的研究也較多，典型的是引入分形結構[2]、引入缺口環[3]，主要通過改變天線的結構，激發出不同的表面電流，來達到多頻的目的。本文借鑒了這一思路，在不影響偶極子天線性能的前提下改變振子結構，以一個圓環替代偶極子天線部分線段，并引入缺口嵌套環，使用HFSS軟軟件仿真結果表明，常見的短波偶極子天線發生多頻現象，并且頻點位置、數量是可控的。此設計為短波天線多頻性的研究提供了一些借鑒。

1 圓環替代一段長度的偶極子天線

具體天線結構如圖1所示：

圖1 普通偶極子天線與頂部加載圓環天線的結構示意圖

選定一個單邊長度9 m、寬度0.01 m的普通偶極子天線為參考對象，選擇一個外環半徑為3 m，徑寬為0.01 m的圓環為頂部加載，其中圓環直徑占總長度的1/3，其天線反射系數仿真結果如圖2所示：

圖2 普通偶極子天線與頂部加載圓環天線反射系數

從圖2可知，9 m長的普通偶極子天線有兩個諧振頻率，基波諧振點為7.9 MHz、反射系數為-12.2 dB；奇波諧振出的二次諧振點為23.3 MHz、反射系數為-12.4 dB。加載了圓環的天線也有兩個諧振頻率，基波諧振點為6.1 MHz、反射系數為-10.6 dB；二次諧振點為 22 MHz、反射系數為-17.9 dB。說明當用圓環替代普通偶極子天線的三分之一長度后，天線諧振點發生紅移。即在實際應用中，當諧振點固定時，使用頂部加載圓環的辦法可以有效縮短天線總長度，這與之前的研究相符合[4]。

2 引入缺口的變化

如上所述，引入圓環可以使普通偶極子天線諧振點向低頻漂移。當圓環引入缺口后，天線示意圖如下頁圖3所示：

性能又發生變化，具體的反射系數的仿真結果如下頁圖4所示：

圖3 缺口位于上側與左側的天線示意圖

圖4 缺口引入位置不同的反射系數圖

從圖4可知，缺口引入在圓環左側依然是雙頻，第一諧振點為6.1 MHz，反射系數為-10.4 dB，第二諧振點為22.5 Mhz，反射系數為-15.8 dB，諧振情況幾乎與不開口的環效果一樣；當缺口在圓環的上側，則有明顯的三頻段，第一諧振點為5.9 MHz，反射系數-10.2 dB，第二諧振點為14.80 Mhz，反射系數為-23.9 dB，第三諧振點為26.1 MHz，反射系數為-20.6 dB。加載一個完整的圓環、引入缺口在左側及上側的天線，第一個諧振點幾乎一致，而缺口在上側的圓環，其諧振點增加了一個。因此得出結論：當其他條件不變的情況下，缺口的位置會改變環天線的諧振頻率、諧振深度、頻段的個數。

為說明此情況，通過借助HFSS軟件仿真各個頻率對應的表面電流，匯總如表1所示。

如表1所示，缺口在左側與沒有缺口的完整環結構天線，在高頻、低頻時輻射主體為環的右側與偶極子天線主體結構，只有一種電流模式，因而各只對應一個諧振頻率，表現在反射系數圖，兩者諧振點近似，諧振深度也近似。而當缺口在上側的結構天線，導致圓環被分割，在被激勵時，形成了三種表面電流。低頻輻射主體為圓環下半部分，中頻為環結構，高頻為環的兩側結構，因激發位置的差異，天線表現出不一樣的反射系數。需要說明的是，因為缺口的大小并不會導致電流模式的改變[3]，因此在實際使用中可以根據實際情況引入缺口。

表1 缺口引入和位置導致不同的表面電流分布

3 嵌套環的應用

嵌套環結構屬于分形結構的一種，引入不同大小的環可以有效改變天線的性能（如圖5所示）。

當每個嵌套環外徑以0.1 m為遞減時，天線的反射系數如圖6所示。

圖6 嵌套環數量不同時天線的反射系數

上頁圖6所示，反射系數深度為-10dB為界，當引入上側為缺口的單環結構，其諧振點為三個，當內嵌為雙環之后，諧振點為四個，當內嵌為三環，諧振點為三個，有兩個諧振不明顯。該數據說明嵌套環天線可以根據環數量變化來調整實際需要的頻點。

4 結語

本文通過仿真與分析，證實了嵌套結構與缺口結構的有效性與獨特性：當普通的偶極子天線用圓環替代一部分結構，會使得天線發生紅移現象；當圓環引入缺口，可有效分割出不同的電流模式，引入不同的諧振頻率；當圓環的引入位置不同，激發出不一樣的頻點；圓環內嵌不同大小的圓環，可以有效增加頻點數、改變諧振深度。這些常規環天線僅能諧振于某一固定窄帶頻點，但借助于嵌套結構和引入缺口，可以有效擴展其頻帶和增加頻點。需要說明的是，即使圓環引入左側缺口，對天線的性能沒有明顯的改變，但在實際應用中，該缺口處可以連接一個非金屬的部件，作為架設和支撐天線用。以上的這些研究結論可能為偶極子天線在廣播收發領域的發展起到一定的啟發作用。