短波小型化軟振子對數周期天線設計和實現

何德軍，王 娟

(1.武漢船舶通信研究所 武漢 430079；2.武漢中原電子集團有限公司 武漢 430079)

短波通信利用電離層反射進行無線電通信，具有機動性強、網絡重構快捷和抗毀性強等優點，具備中繼遠程通信能力，適于進行中、遠距離通信[1]。對數周期天線屬于非頻變天線，具有強方向性、高增益和寬頻帶等優點，非常適用于中遠距離的短波通信。

常規對數周期天線的最長振子長度約為最低工作頻率的四分之一個波長[2-3]，造成短波對數周期天線占地面積非常大，天線尺寸限制了在一些場地受限區域或放置在轉臺上的使用。近年來，國內外研究學者對如何實現天線小型化設計開展了大量研究工作[4-9]，然而并不是所有的小型化技術均適用于短波頻段天線。文獻[5-6]研究了將直線形對數周期天線的振子末端折合成方形、圓形和三角形結構或者末端加載橫線的方法，可以明顯縮短天線橫向尺寸，但在短波頻段樣機結構實現難度較大。文獻[7]研究了在振子單元根部采用集總電感加載縮小天線單元尺寸，該天線適合于接收狀態或者小功率發射狀態。文獻[8]研究采用集總電感加載和L 型加載結合的方式縮小天線尺寸。文獻[9]研究了一種采用倒V 形結構的對數周期天線，在6～30 MHz 頻率范圍內具有較好的性能。文獻[10]研究了一種末端加載三線天線的短波對數周期天線，進一步縮小了天線尺寸，但在低頻段天線效率較低。在現有研究中大部分采用對振子加載的方式，這些研究對天線小型化具有重要的意義，然而加載方式會影響天線的部分性能指標。

針對上述問題，本文設計了一種工作在4～30 MHz 小型化的短波軟振子對數周期天線，天線尺寸為28 m×27 m，天線振子采用寬頻帶的立體三角形偶極子形式和平面四邊形偶極子形式，并將結構拉線作為最長振子加載，有效縮減天線尺寸，同時最長振子采用折合偶極子形式，減小了側翼桁架對天線性能的影響。

1 對數周期天線工作原理

對數周期天線是一種非頻變寬帶天線，由多對偶極子振子和集合線組成，每對振子按照一定長度和間距比例交叉排列在集合線兩側，它具有自相似結構特性。對數周期天線的性能主要由3 個結構參數決定：比例因子τ、距離因子σ 及天線張角2α，如圖1 所示。

圖1 對數周期天線原理示意圖

根據對數周期天線理論，天線中不同振子長度對應不同的工作頻率，天線橫向物理尺寸由最低的工作頻率決定。為縮小天線橫向尺寸，天線振子采用立體三角形偶極子和平面四邊形偶極子形式，大大增加了振子單元的空間填充性，有效增大了天線的等效半徑，天線的結構示意圖如圖2 所示。

圖2 對數周期天線結構示意圖

立體三角形偶極子和平面四邊形偶極子形式具有較大的等效半徑，在相同的物理尺寸下，該形式天線比直線偶極子天線具有更寬的頻帶，因此同等工作頻率，該天線形式具有更小的橫向尺寸。

2 對數周期天線小型化設計

2.1 電氣小型化設計

本文對數周期天線采用金屬桁架框架結構和邊吊索軟線形式，電氣原理與常規對數周期偶極子天線相同，同樣存在傳輸區、輻射區和未激勵區。天線幕中的振子選用寬帶化的立體三角形偶極子天線和平面四邊形偶極子天線，雖然三角形天線和平面形天線結構上不存在自相似性，但在頻帶寬帶化上存在相似性，因此采用這兩種天線形式作為輻射單元。在電氣設計中優化比例因子τ 和距離因子σ，消除不同振子形狀引起的未激勵區傳輸線電流的幅值超過輻射區中偶極子天線電流最大幅值的反常激勵現象，保證天線的駐波比曲線和增益曲線具有較好的均勻性。

為保證天線結構的強度與穩定性，天線桁架采用金屬結構，側翼桁架的走向與天線振子一致，并且側翼桁架長度與振子長度相當，側翼桁架在工作頻段內引入其他諧振，影響工作帶寬。為消除側翼桁架對天線性能的影響，將最長振子設計成折合天線的形式。圖3 為天線振子采用與不采用折合振子時對應的駐波比曲線，不采用折合振子時，在5.2 MHz 時駐波比出現波動。

圖3 最長振子不同結構時的駐波比曲線

為進一步縮減天線的橫向尺寸，在最長振子為立體三角形偶極子的基礎上，將側翼桁架拉向主桁架尾端的拉線作為最長振子加載。圖4 給出了最長振子為三角形天線時，末端加載拉線與未加載拉線的駐波比曲線，可以看出末端加載拉線使得工作頻率由5 MHz 降低到4 MHz。傳統的直線形偶極子對數周期天線工作頻率在4～30 MHz，振子最長長度為18.75 m。由于三角形振子的寬頻帶特性和末端拉線的加載特性，使得天線的橫向尺寸小于此數值，最終設計橫向長度約28 m，天線尺寸縮小了25.4%。

圖4 最長振子不同加載狀態的駐波比曲線

2.2 天線結構設計

短波天線與其他高頻頻段天線的最大區別在于結構尺寸較大，需要支撐結構件或者拉線維持天線的形狀尺寸，并抵御外界大風等其他惡劣氣候對天線的破壞。天線桁架由主桁架、側翼桁架、V 型架、中心支架和后立桿組成，如圖5 所示。桁架主體截面為三角形框采用鋁合金型材，具備強度高、重量輕及耐腐蝕等優點。

圖5 對數周期天線主體結構示意圖

天線幕由振子、集合線、邊吊索、集合線等組成，振子線與集合線采用鋁包鋼絞線。拉線主要包括主桁架、側翼桁架的上下拉線和它們之間的拉線，拉繩采用鋼絲繩并使用陶瓷絕緣子間隔。集合線采用上下雙線結構，通過陶瓷絕緣子穿過中心支架固定在后立桿和V 型架之間。集合線不僅作為信號傳輸線傳輸能量，而且作為受力拉線張拉主桁架。

3 仿真設計與驗證

本文采用三維全波電磁仿真軟件FEKO 對天線電氣性能進行優化設計，大地相對介電常數εr=15， 電導率σ =0.01。根據文獻[11]，天線結構參數采用變參方式設計，其中τ 值由0.867 漸變到0.904，σ 值由0.123 漸變到0.099，天線采用了19 對單元振子，天線尺寸為28 m×27 m。

對數周期天線輻射方向圖如圖6 所示，輻射方向圖沒有因天線小型化而惡化。在低頻段有較大的后瓣且天線增益較低，這是由于激勵區單元數目較少，且單個振子天線增益不高。對數周期天線增益仿真值如圖7 所示，在工作頻率超過8 MHz以上時，增益趨于平穩，表明處于天線激勵區的振子數量基本相當，且能量較好地被前后振子反射和引向。

圖6 仿真輻射方向圖

圖7 仿真增益曲線

圖8 為安裝架設在天線場的對數周期天線照片。圖9 給出來實際測試和仿真的電壓駐波比曲線，實際測試結果比理論仿真結果略有偏差，但最大值小于2.15，造成差別的主要原因是天線邊線為懸鏈結構，邊線線形在實際架設中難以達到仿真的結構狀態。

圖8 天線場實際架設天線照片

圖9 天線仿真與測試駐波比

4 結 束 語

常規方法設計的對數周期天線尺寸大，安裝架設困難，很大程度上限制了它的實際使用。本文采用寬頻帶的立體三角形偶極子和平面四邊形偶極子作為天線振子單元，并使用桁架結構拉線作為最長振子加載設計，有效增加了天線的電尺寸，拓展了天線的最低工作頻率；同時將最長振子設計為折合偶極子形式，減小了側翼桁架對天線性能的影響。基于這個設計思想，結合工程實際需求，本文設計了工作頻率為4～30 MHz 的小型化軟振子短波對數周期天線，天線尺寸得到大幅度縮減，測試結果表明在工作頻帶內天線駐波比較小、方向圖無惡化、增益穩定。該設計方法為對數周期天線小型化提供了一種技術途徑。