輻射葉加載的短波寬帶鞭狀天線優化設計*

王衡峰，柳 超，謝 旭，吳華寧

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

隨著跳頻擴頻技術的不斷發展，現代高頻通信系統對天線的輻射性能和工作帶寬的要求也越來越高。鞭狀天線是一種全向輻射的特殊天線，其結構簡單、質地堅固，適合在移動載體上安裝使用，是一個不錯的選擇[1]。但在天線小型化的趨勢下，高度限定的鞭狀天線在短波頻段往往屬于電小天線，其輸入阻抗對頻率很敏感，特別是在低頻段，輸入電阻小、輸入電抗大、與傳輸線的阻抗匹配難，導致天線的工作頻帶很窄。為了改善鞭狀天線的帶寬，提出了加頂負載[2]、RLC網絡加載[3-5]、匹配網絡技術[3]和分形技術[6-7]等方法，目前應用比較多的是加載和匹配網絡技術。由于電阻的引入給天線帶來了新的損耗，降低了天線效率，因此對高度一定的鞭狀天線來說，如何在保證其帶寬的同時提高天線的效率值得進一步研究。

從加頂負載和分形技術的角度出發，在鞭狀天線的頂端加輻射葉可以使天線頂端的電流不為零，電流的增大使遠區輻射場也得到增大[8]。所以本文在天線鞭體上添加了若干個輻射葉，為10 m鞭狀天線設計一種新的負載結構，通過建模仿真對其電性能進行分析與比較并選擇最佳的鞭體結構，同時為天線添加RLC加載和寬帶匹配網絡并利用入侵性野草優化(Invasive Weed Optimization, IWO)算法對其進行優化，進一步改善天線的電特性。IWO算法是一種新興的啟發式智能算法[9-10]，它以其魯棒性強、算法簡單、具有搜索全局最優解的能力在天線優化設計領域中得到了廣泛的應用，文獻[11]中采用IWO算法對天線加載和寬帶匹配網絡進行了優化設計，驗證了該算法的優越性，此處不再贅述。

1 天線輻射葉結構原理

在鞭狀天線體上加載輻射葉時，每一個輻射葉給天線帶來的對地分布電容可以分別等效一段傳輸線，如圖1所示，多段等效傳輸線的疊加最終即為天線加載多層輻射葉時總的等效傳輸線，天線上段電流的增大使其整體電流分布更加均勻。設第i個輻射葉的高度為hi，給天線頂端的等效電容為Ci，垂直線段的特性阻抗為Z0i，則此等效長度h′i可計算如下：

(1)

(2)

其中，k為波數，ω為角頻率。單根垂直導線的特性阻抗(單位為Ω)為：

(3)

圖1 輻射葉加載天線的電流分布Fig.1 Current distribution of the antenna loaded with radiation lobes

設天線上電流分布為：

(4)

式中，z是天線上一點到輸入端的距離；I0是輸入端電流。于是有效高度為：

(5)

當(h+h′)/λ很小時，式(5)可簡化為：

(6)

很明顯，天線在添加多層輻射葉后的有效高度會大于無輻射葉天線，這樣在不增加天線的實際高度的前提下增加了天線的有效高度，為提高天線的輻射電阻和效率提供了一種有效方法。

2 天線輻射葉結構分析

為鞭狀天線添加輻射葉可以改變天線的電流分布，電流的增大可使天線的遠區輻射場增大，輻射葉增大了天線體垂直部分對地的分布電容，這一分布電容可以等效為一段開路傳輸線加在天線體上，從而增加了天線的有效高度，提高了天線的輻射電阻，為改善天線的輻射特性提供了一種較好的方法。為了使天線獲得更優的輻射特性，很有必要分析研究輻射葉的層數、半徑、長度、分支數、仰角及其分布情況對天線性能的影響。

2.1 輻射葉層數對鞭狀天線的影響

為了更好地研究輻射葉加載對鞭狀天線的影響，在電磁仿真軟件FEKO中建立10 m鞭狀天線模型，頻率設置為3～30 MHz，大地介質選擇無限大理想電介質導體平面，設置天線輻射葉分支的初始半徑為8 mm，初始長度為32 cm，每個輻射葉的初始分支數為6根，分支初始仰角為45°，各個輻射葉均勻分布于天線體上，輻射葉各分支間以相同夾角分布，分別取輻射葉的層數為0、4、8、12、16(如圖2所示)進行仿真計算，分別獲得該天線在加載不同層數輻射葉下的S11曲線，如圖3所示(為加強區分，使分析更加直觀，只截取了諧振點附近的S11參數，下同)。

圖2 不同層數輻射葉下的天線結構Fig.2 Antenna structure under different layer number of radiation lobe

在圖3中隨著輻射葉層數的增加，天線的諧振頻率不斷降低，不過下降的程度不斷減小，其中當天線層數增加到12層之后，天線諧振頻率下降的速率明顯降低，這說明輻射葉越密集，天線體垂直部分對地的分布電容越大，天線諧振頻率越低，很好地提高了天線的有效高度，但天線分布電容增大的速率在不斷變慢，諧振頻率下降逐漸變緩，同時天線的結構也越來越復雜，天線承受的重量也越來越大。綜合考慮天線整體結構的復雜性和可實行性，12層輻射葉的設計比較合適。

圖3 不同層數輻射葉下的天線S11曲線Fig.3 S11 curves under different layer number of radiation lobe

2.2 輻射葉半徑對鞭狀天線的影響

設置天線輻射葉的層數為12層，其他參數保持與2.1節不變，分別取輻射葉分支的半徑為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm進行仿真計算，分別獲得該天線在加載輻射葉不同半徑下的S11曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，輻射葉的分支半徑對天線的諧振頻率影響不是很大，這說明輻射葉分支半徑的變化對天線體電流分布的改善有一定影響，但并不是很大，隨著半徑的增大，天線諧振頻率下降得越來越緩，當半徑大于8 mm時，天線諧振頻率的變化已經很小了。

圖4 輻射葉不同分支半徑下的天線S11曲線Fig.4 S11 curves under different radius of radiation lobe

2.3 輻射葉長度對鞭狀天線的影響

設置天線輻射葉的層數為12層，輻射葉分支的半徑為8 mm，其他參數保持與2.1節不變，分別取天線輻射葉的長度為24 cm、28 cm、32 cm、36 cm、40 cm進行仿真計算，分別獲得該天線在加載不同長度輻射葉時的S11曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，天線輻射葉的長度越長，天線的諧振頻率越小，這說明輻射葉分支越長，越有利于改善天線體的電流分布，增加的對地分布電容也越大，天線諧振頻率的降低很好地提高了天線的有效高度，但并不是分支越長越好，輻射葉越長，天線承受的重量越大，所占空間越大，天線的結構也越復雜，所以此處應該折中選擇。

圖5 不同輻射葉長度下的天線S11曲線Fig.5 S11 curves under different length of radiating lobe

2.4 輻射葉分支數對鞭狀天線的影響

設置天線輻射葉的層數為12層，輻射葉分支的半徑為8 mm，天線輻射葉的長度為32 cm，其他參數與2.1節保持不變，分別取天線輻射葉的分支數為3、4、5、6、7、8(如圖6所示)進行仿真計算，分別獲得該天線在不同輻射葉分支數目下的S11曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，天線輻射葉分支越多，天線的諧振頻率越小，但變化不是很明顯，這說明輻射葉分支數的變化對天線體電流分布的改善有一定影響，但并不是很大，隨著分

(a) 3分支(a) 3 branches (b) 4分支(b) 4 branches (c) 5分支(c) 5 branches

(d) 6分支(d) 6 branches (e) 7分支(e) 7 branches (f) 8分支(f) 8 branches圖6 不同分支數的輻射葉結構Fig.6 Radiation lobe structure of different branch number

支數的增大，天線諧振頻率下降得越來越緩，當分支數大于6時，天線的諧振頻率已經減少得很少了。

圖7 不同輻射葉分支數目下的天線S11曲線Fig.7 Antenna S11 curves under different branch number of radiation lobes

2.5 輻射葉仰角對鞭狀天線的影響

設置天線輻射葉的層數為12層，輻射葉分支的半徑為8 mm，天線輻射葉的長度為32 cm，天線輻射葉的分支數為6，其他參數與2.1節保持不變，分別取輻射葉各分支的仰角為15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°(如圖8所示)進行仿真計算，分別獲得該天線在不同輻射葉分支仰角下的S11曲線，如圖9所示。從圖中可以看出，隨著天線輻射葉分支仰角的增大，天線的諧振頻率先逐漸變小后又逐漸變大，這說明天線輻射葉的仰角變化對天線的電流分布影響很大，輻射葉仰角越接近水平方向，天線體垂直部分對地的分布電容越大，天線的諧振頻率越低，有效高度越高，天線上的分布電流增大將增大天線的輻射電阻，有效增大天線的遠區輻射場。在仰角為90°時，天線的諧振頻率降到最低。

(a) 15° (b) 30° (c) 45° (d) 60°

(e) 75° (f) 90° (g) 105° (h) 120°

(i) 135° (j) 150° (k) 165°圖8 不同分支仰角的輻射葉結構Fig.8 Radiation lobe structure with different branch elevation angles

(a) 15°～90°

(b) 90°～165°圖9 不同輻射葉分支仰角下的天線S11曲線Fig.9 Antenna S11 curves under different radiation lobe branch elevation

2.6 輻射葉分布對鞭狀天線的影響

為了進一步簡化天線的結構，有效地減少輻射葉的數目，可以討論分析天線輻射葉在天線體上的分布情況對天線輻射特性的影響。分別設置如圖10所示的天線輻射葉分布結構，經仿真計算獲得如圖11所示的不同輻射葉分布下的天線S11曲線。由圖可以看出，在輻射葉間距保持一定的情況下，輻射葉分布越集中于天線體上部分時，天線的諧振頻率越小，在12層輻射葉均勻分布時，諧振頻率最小，去掉天線體上部的輻射葉對天線影響很大，去掉天線體下部分的輻射葉對天線的影響很小，這說明在天線上段添加輻射葉對天線電流分布的改善起主要作用，這是因為：無輻射葉的鞭狀天線越靠近天線頂端，其分布電流越小，天線頂端為開路點，導致天線頂端的電流為零，天線的有效高度較低，輻射電阻較小，輻射性能較差；添加輻射葉不僅使天線頂端的電流不為零，還改善了天線中上段的電流分布，卻對天線下段的電流分布影響不大。綜合以上考慮，選取如圖10(g)所示的上段擁有7層輻射葉的結構較佳。

圖10 輻射葉不同分布下的天線結構Fig.10 Antenna structure with different distribution of radiation lobes

(a) a～e

(b) e～j圖11 不同輻射葉分布下的天線S11曲線Fig.11 Antenna S11 curves under different radiation lobe distribution

3 天線設計

3.1 天線結構

第2節通過分析輻射葉層數、半徑、長度、分支數、仰角及其分布情況對10 m短波鞭狀天線的電氣性能的影響，在盡量滿足天線小型化、結構簡單的前提下，可以為該天線選擇適當的輻射葉結構參數。綜上考慮，可以設置該天線輻射葉的分布層數為上部分7層，分支半徑為8 mm，長度為32 cm，分支數為6，仰角為90°，如圖12所示。

圖12 天線的加載結構Fig.12 Loading structure of antenna

為進一步平緩輸入阻抗隨頻率的變化程度和實現天線與饋線的阻抗匹配，在天線體上距離頂端2.5 m處和底端分別添加RLC加載網絡，并在天線底端添加“T”形寬帶匹配網絡[12]，由寬帶傳輸線變壓器和LC網絡組成，如圖13所示。

圖13 天線的寬帶匹配網絡Fig.13 Broadband matching network of antenna

3.2 天線優化

按照圖12和圖13的結構建立10 m鞭狀天線的模型，頻率設置為3～30 MHz，頻率間隔設置為0.5 MHz，采用IWO算法對天線進行加載網絡和寬帶匹配網絡的參數優化，在保證盡可能多的頻點的駐波比小于3的前提下，提高天線的增益，優化值分別如表1、表2所示。

表1 加載元件優化值

表2 匹配網絡元件優化值

添加了7層輻射葉的10 m短波寬帶鞭狀天線經加載和匹配網絡優化后獲得的駐波比、增益和效率曲線如圖14所示，水平和垂直方向圖如圖15所示，并分別與傳統寬帶鞭狀天線(無輻射葉)相比較，其中增益曲線代表的是最大方向的增益。

(a) 駐波比(a) Voltage standing wave ratio

(b) 增益(b) Gain

(c) 效率(c) Efficiency圖14 天線添加輻射葉前后電性能對比Fig.14 Comparison of electrical properties before and after adding radiation lobes

從圖14可以看出，天線在添加輻射葉后駐波比全部小于3.5，至少99%頻點的駐波比小于3，與未添加輻射葉的天線駐波比相比略有波動，但整體趨勢相差不大；天線在添加輻射葉后增益全部大于-7 dB，在低頻段最高提高了3 dB，高頻段的增益提高得非常明顯，平均值為5 dB，最高提高了5 dB；天線在添加輻射葉后的最低效率由3%提高到了8%，中高頻段的效率提高得很大，平均值高達60%以上，最高提高了35%。從圖15中可以看到，所提天線水平方向圖始終保持

(a) 水平方向圖(3 MHz和12 MHz)(a) Horizontal pattern(3 MHz and 12 MHz)

(b) 水平方向圖(22 MHz和25 MHz)(b) Horizontal pattern(22 MHz and 25 MHz)

(c) 垂直方向圖(3 MHz和12 MHz)(c) Vertical pattern(3 MHz and 12 MHz)

(d) 垂直方向圖(22 MHz和25 MHz)(d) Vertical pattern(22 MHz and 25 MHz)圖15 天線添加輻射葉前后方向圖對比Fig.15 Comparison of radiation patterns before and after adding radiation lobes

全向，垂直方向圖在中低頻段呈半個“∞”狀，當在頻率為23 MHz時，天線的主瓣率方向才發生改變，而傳統寬帶天線在21 MHz時就已經改變了，因此所提輻射葉加載天線還能有效抑制主瓣偏離水平方向。

圖16描述了輻射葉加載天線在不同頻率下天線體上的電流分布，其分段按從天線頂端到底端編號。考慮到天線的橫向面積和結構的復雜度，輻射葉的長度只有32 cm，相對10 m高的天線來說已經很短了，其水平方向上的電流非常小，水平輻射可以忽略不計，此種輻射葉結構不僅使天線在低頻段的電流得到改善，高頻段的電流也得到大幅提升，使得高頻段天線的增益和效率改善得比較明顯。

圖16 不同頻率下天線體上電流分布Fig.16 Current distribution at different frequency

總而言之，短波寬帶鞭狀天線的多層輻射葉結構能在相對較好的駐波比下有效地提高天線的增益和效率，有效抑制天線的方向圖上翹，此種結構能為進一步優化短波寬帶鞭狀天線的輻射性能提供一種有效的方法。

4 結論

從天線頂加載的角度出發，為天線體添加了多層輻射葉，對輻射葉的層數、半徑、長度、分支數、仰角及其分布情況對天線性能的影響展開了研究，降低了天線的諧振頻率，并為10 m鞭狀天線設計了一款新型的輻射葉結構，同時為天線進行了加載網絡和寬帶匹配網絡的IWO算法優化。仿真結果表明，在保證駐波比良好的前提下，天線增益和效率得到了較大的提高，天線的方向圖上翹得到了有效抑制，天線的輻射能力也得以增強，充分說明此款新型輻射葉結構設計是鞭狀天線實現小型化和高效率的一種有效技術。