儀表著陸系統(tǒng)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)

張龍裔

摘要：儀表著陸系統(tǒng)中航向天線(xiàn)主要采用標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種能有效減小對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)縱向尺寸的方法。首先利用螺旋天線(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，然后根據(jù)低頻螺旋天線(xiàn)的長(zhǎng)度和間隔因子重新計(jì)算螺旋天線(xiàn)單元之間的間距，最后按計(jì)算得到的間距重新排列螺旋天線(xiàn)單元。從仿真結(jié)果看出，所設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)具有較好的阻抗性能，而且在108-112 MHz頻段內(nèi)天線(xiàn)的增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線(xiàn)橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)相比分別減小了31.56%和30.73%。

關(guān)鍵詞： 對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)；小型化天線(xiàn)；螺旋天線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0198-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Miniaturized Log-Periodic Antenna in Instrument Landing System

ZHANG long-yi

（ATMB Application Technology Laboratory， Guangzhou 510405， China）

Abstract： The LOC antenna of Instrument Landing System is mainly using standardized Log-Periodic Antenna.This paper proposed an efficient method to reduce the longitudinal size of a log-periodic antenna based on previous researches. First by using helical antennas to design a log-periodic antenna. Then recalculate the space between helical antenna elements according to the length of the helical antenna working at lower frequency and the spacing factor .At last rearrange the helical antenna elements by using these parameters. The simulated results show that the antenna has good impedance performance and the gain is about 6.88±0.1 dBi from 108 to 112 MHz. Moreover， compared with the conventional log-periodic antenna， the transverse and longitudinal sizes of the proposed antenna are reduced about 31.56% and 30.73%， respectively。

Key words： Log-periodic antenna； miniaturized antenna； helical antenna

1 引言

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)是一種性能優(yōu)良的超寬帶非頻變天線(xiàn)。典型的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)是采用直偶極子陣列周期排列而成，這種天線(xiàn)成為對(duì)數(shù)周期振子天線(xiàn)LPDA（Log-Periodic Dipole Antennas）。由于對(duì)數(shù)周期振子天線(xiàn)具有工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益高、加工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)向、通信、電子對(duì)抗等方面。在航空領(lǐng)域，儀表著陸系統(tǒng)航向天線(xiàn)采用的就是典型的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。在短波和微波頻段，在許多工程實(shí)踐中，都有場(chǎng)地和架設(shè)條件的限制，由于傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期振子天線(xiàn)尺寸較大，限制了它的使用。

自從20世紀(jì)50年代對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)問(wèn)世以來(lái)，研究人員就如何減小天線(xiàn)的尺寸做了大量的研究。文獻(xiàn)[1]中介紹了一種采用多個(gè)工作在法向模的螺旋天線(xiàn)[1]代替直偶極子天線(xiàn)設(shè)計(jì)而成的螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。由于螺旋天線(xiàn)可以極大地減小天線(xiàn)高度，所以這種螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)具有比傳統(tǒng)天線(xiàn)更小的尺寸。對(duì)偶極子天線(xiàn)進(jìn)行加載[2]，也是常用的減小對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)尺寸的方法。有些研究人員通過(guò)把偶極子臂進(jìn)行彎曲處理來(lái)減小對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的尺寸，這種方法稱(chēng)為彎曲偶極子法[3]。分形結(jié)構(gòu)由其特殊性能也被廣泛地應(yīng)用到對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)中[4-6]。雖然對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的小型化做了很多研究，但是這些研究基本是通過(guò)減小偶極子是尺寸來(lái)減小對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的橫向尺寸。由于采用這些方法設(shè)計(jì)的天線(xiàn)，偶極子與偶極子之間的間距不變，所以對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的縱向大小沒(méi)有變化。即這些小型化方法只是減小了對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的橫向尺寸，無(wú)法減小其縱向尺寸。文獻(xiàn)[7]通過(guò)增大對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的張角[7]來(lái)減小天線(xiàn)的縱向尺寸，但是張角變大時(shí)會(huì)引起天線(xiàn)增益的降低，同時(shí)天線(xiàn)駐波比也會(huì)增大。

本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上提出了一種可以大幅度減小對(duì)數(shù)周期縱向尺寸的設(shè)計(jì)方法。在螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用低頻螺旋天線(xiàn)的長(zhǎng)度和間隔因子

重新計(jì)算各螺旋天線(xiàn)單元之間的間距，并按此間距重新排列螺旋天線(xiàn)單元。仿真結(jié)果表明天線(xiàn)在108-112 MHz頻段的增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線(xiàn)橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)相比分別減小了31.56%和30.73%。

2 對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和基本原理

傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期振子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由N個(gè)平行排列的偶極子單元組成的。從低頻到高頻偶極子的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1，L2，L3，……，LN。偶極子之間的間距分別d1，d2，d3，……，dN-1。

3.1 傳統(tǒng)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

當(dāng)采用傳統(tǒng)的七單元對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此時(shí)我們稱(chēng)其為天線(xiàn)1。它是由七個(gè)平行排列的偶極子組成的，天線(xiàn)上下兩層金屬平面的間距為h。偶極子臂的寬度均為W=60 mm。由三維電磁場(chǎng)仿真軟件仿真得到工作在97 MHz的偶極子長(zhǎng)度L1=1350 mm，根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算得出其它偶極子單元的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)2=1237.95 mm、L3=1135.2 mm、L4=1040.98 mm、L5=954.58 mm、L6=875.35 mm、L7=802.69 mm、偶極子之間的間距分別d1=456.3 mm、d2=418.43 mm、d3=383.7 mm、d4=351.85 mm、d5=322.65 mm、d6=295.87 mm。此時(shí)天線(xiàn)的整體大小為2288.8 mm×1350 mm×10mm。為了使天線(xiàn)獲得較好的匹配，采用漸變帶狀線(xiàn)進(jìn)行饋電，饋線(xiàn)的起始和結(jié)尾端寬度分別為Ws=42 mm，We= 20 mm。

3.2 螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，當(dāng)采用螺旋天線(xiàn)代替圖2中的偶極子天線(xiàn)時(shí)，可以得到橫向小型化螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)如圖3所示，我們稱(chēng)這款天線(xiàn)為天線(xiàn)2。該天線(xiàn)中螺旋天線(xiàn)之間的間距與圖2中偶極子單元直接的間距相同。

螺旋天線(xiàn)的尺寸由三個(gè)參數(shù)決定，即螺旋半徑R，螺旋間距P和螺旋圈數(shù)Nh。這里我們選取R=30 mm，P=100 mm。通過(guò)仿真我們的得出當(dāng)螺旋天線(xiàn)的螺線(xiàn)長(zhǎng)度等于偶極子長(zhǎng)度時(shí)，螺旋天線(xiàn)的工作頻率要高于偶極子天線(xiàn)長(zhǎng)度，所以我們需要增大螺旋天線(xiàn)的圈數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，得出螺旋天線(xiàn)的圈數(shù)由以下公式計(jì)算即可滿(mǎn)足要求：

式中Nhn表示第n個(gè)偶極子單元所對(duì)應(yīng)的螺旋天線(xiàn)的圈數(shù)，Ln表示第n個(gè)偶極子單元的長(zhǎng)度。因此我們可以計(jì)算出每個(gè)螺旋天線(xiàn)的圈數(shù)分別為：Nh1= 4.62、Nh2= 4.24、Nh3= 3.89、Nh4= 3.57、Nh5= 3.27、Nh6= 3、Nh7= 2.75。此時(shí)所設(shè)計(jì)的螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)整體大小為2288.8 mm×924 mm×130mm。可以看出此時(shí)天線(xiàn)2的縱向長(zhǎng)度與天線(xiàn)1相同，都為2288.8 mm，但是橫向長(zhǎng)度卻比天線(xiàn)1減小了31.56%。

3.3 小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

我們?cè)谔炀€(xiàn)2的基礎(chǔ)上提出了一種進(jìn)一步縮小天線(xiàn)縱向尺寸的方法。該方法設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)與天線(xiàn)2中螺旋天線(xiàn)尺寸相同，不同的是螺旋天線(xiàn)之間的間距。具體做法是：以最低頻率螺旋天線(xiàn)的長(zhǎng)度L12為基準(zhǔn)，通過(guò)公式（2）和公式（3）重新計(jì)算各螺旋線(xiàn)之間的間距，即：

mm×130mm，縱向長(zhǎng)度減小了30.73%。

3.4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證天線(xiàn)的性能，我們對(duì)著三款天線(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。仿真得到的天線(xiàn)反射系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，天線(xiàn)1在102-120 MHz頻段范圍內(nèi)，反射系數(shù)均小于-15 dB，表面天線(xiàn)具有較好的阻抗匹配性能。天線(xiàn)2在98-112 MHz以及118-127 MHz 頻段內(nèi)，反射系數(shù)均小于-15 dB。由于直接采用天線(xiàn)1的饋線(xiàn)寬度，所以阻抗相對(duì)天線(xiàn)1來(lái)說(shuō)有所變差。但是通過(guò)優(yōu)化饋線(xiàn)寬度Ws和We，天線(xiàn)2可以在需要的頻段內(nèi)得到更好的匹配。天線(xiàn)3在102-116 MHz以及128-133 MHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-15 dB。所以在儀表著陸系統(tǒng)航向天線(xiàn)所需要的頻段108-112 MHz內(nèi)，所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)具有較好的阻抗性能。從這幅圖還我們可以看出，天線(xiàn)3和天線(xiàn)2的反射系數(shù)曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，只是頻率有所偏移。因此可以認(rèn)為我們所提出的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)并不影響天線(xiàn)的阻抗性能。

圖6給出了三款天線(xiàn)的增益對(duì)比圖。從圖中可以看出，天線(xiàn)1增益大于9 dBi，在108-112 MHz頻段內(nèi)，增益為9.8±0.2 dBi。天線(xiàn)2和天線(xiàn)3增益相當(dāng)，但是都小于天線(xiàn)1的增益，這是因?yàn)樘炀€(xiàn)2和天線(xiàn)3的尺寸較小，所以天線(xiàn)輻射口徑減小，增益降低。這是小型化天線(xiàn)均具有的特征。天線(xiàn)3雖然比天線(xiàn)2更小，但是在108-112 MHz頻段內(nèi)，增益差別小于0.25 dB。天線(xiàn)3增益為6.88±0.1 dBi，雖然比天線(xiàn)1低了3dB左右，仍然具有較大的增益。

圖7給出了天線(xiàn)2和天線(xiàn)3在頻率為110 MHz時(shí)的E面和H面方向圖。從圖中可以看出，兩款天線(xiàn)E面和H面方向圖基本吻合，這說(shuō)明我們說(shuō)設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)（天線(xiàn)3）對(duì)天線(xiàn)的輻射性能基本沒(méi)有影響。

綜上所述我們所設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)無(wú)論是阻抗還是輻射性能均與天線(xiàn)2相當(dāng)，但是縱向尺寸減小了30.73%。與儀表著陸系統(tǒng)航向天線(xiàn)通用的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)相比，所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)3橫向尺寸減小了31.56%，縱向尺寸減小了30.73%。

4 結(jié)論

儀表著陸系統(tǒng)航向天線(xiàn)采用對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)陣來(lái)為飛機(jī)提供航向信號(hào)，本文在傳統(tǒng)的螺旋對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，在減小天線(xiàn)縱向尺寸的同時(shí)，保持了良好的阻抗和輻射性能。從仿真結(jié)果看出，所設(shè)計(jì)的小型化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)在108-112 MHz頻段天線(xiàn)增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線(xiàn)橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)相比分別減小了31.56%和30.73%。

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