一種結構緊湊帶阻抗補償的新型UHF套筒天線

李峰+李鐵軍+魏亮

摘 要： 通過采用一種新的阻抗補償技術設計出一種新型的機載寬頻帶套筒天線，經仿真和實測證明采用這種阻抗補償技術對套筒天線方向圖沒有明顯的影響。新型UHF套筒天線與普通機載超短波天線相比具有結構緊湊、氣動性佳、功率容量大、直流接地的明顯優勢，非常適宜于安裝在高速飛機上。

關鍵詞： 機載天線； UHF套筒天線； 阻抗補償； VSWR

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0089?03

A novel UHF sleeve antenna with compact structure and impedance compensation

LI Feng， LI Tie?jun， WEI Liang

（Chinese Flight Test Establishment， Xi′an 710089， China）

Abstract： A nevel airborne wideband sleeve antenna was designed with a new impedance compensation technology. The simulation and measured results prove that the impedance compensation technology will not bring a obvious influence on sleeve antenna pattern. Compared with common airborne ultrashort wave antenna， the new UHF sleeve antenna has more compact structure， better aerodynamic property， larger power capacity and more perfect DC grounding. The antenna is suitable for high?speed aircrafts.

Keywords： airborne antenna； UHF sleeve antenna； impedance compensation； VSWR

0 引 言

粗振子有較低的特性阻抗，當其采用不對稱的饋電結構時可以有效展寬天線的阻抗帶寬。粗振子實現不對稱饋電的簡單方法就在輻射體外面加上一個與之同軸的金屬套筒，這就是常見的套筒天線。

Wong和King通過試驗研究發現，套筒天線具有較寬的阻抗帶寬，當其安裝于反射面上時，在近8倍頻程的范圍內方向圖近似為全向[1]。地板的大小往往會對天線的阻抗特性產生很大的影響[2?4]。

當套筒單極天線帶有地線時，天線的輸入阻抗變化趨于平緩，通過調節地線的參數可以有效地控制輸入阻抗的變化，對展寬阻抗帶寬是有利的[5]。

常見套筒天線的結構如圖1所示。其主要結構參數有：上輻射體長度[l，]套筒長度[L=L1+L2，]上輻射體直徑[d]和套筒直徑[D。]理論和實驗表明，對天線電特性起決定作用的參數是套筒單極子的總長度[L+l]及上輻射體長度與套筒長度之比[6][lL。]

1 一種新型的UHF套筒天線

如圖2所示為一種新型套筒天線的結構示意圖，其中[H]為饋電柱高度，[R1]為短路螺栓半徑，[R2]為圓柱套筒底部內徑，[R3]為圓柱套筒頂部內徑。可以看出天線基本結構為套筒天線結構，天線高度為240 mm。

圖1 常見套筒單極天線結構

通過接地金屬螺桿的阻抗補償可以使天線具有更寬的阻抗帶寬[7]。適當調整[H、][R1、][R2、][R3]等參數可以使天線達到更好的阻抗匹配。

圖3為仿真得到的沒有提供阻抗補償時天線電壓駐波比與提供阻抗補償時天線電壓駐波比的比較。

當套筒天線附加阻抗補償后，天線低頻段的較大容抗得到補償，天線阻抗匹配明顯優化。由圖3可以看出，帶阻抗補償的新型套筒天線在225～400 MHz電壓駐波比小于3，而不帶阻抗補償的原型套筒天線在250 MHz以下時電壓駐波比在10以上。

圖2 新型套筒天線結構

圖3 阻抗補償后天線電壓駐波比

由仿真得到的接地金屬螺桿的半徑對天線阻抗匹配的影響如圖4所示。

圖4 [R1]對天線阻抗匹配的影響

由圖4可以看出，金屬螺桿半徑[R1]對天線阻抗匹配有很大的影響，當[R1]為4 mm時，天線的阻抗匹配達到最佳，此時225～400 MHz天線電壓駐波比小于3。

饋電柱高度[H]對天線阻抗的影響如圖5所示。

由圖5可以看出，當饋電柱高度為227 mm時天線的阻抗匹配最佳（圖中粗實線），天線在全頻段內電壓駐波比小于3。

饋電柱高度降低時約260 MHz處VSWR升高，饋電柱高度增大時330 MHz附近VSWR升高。

圖5 饋電柱高度[H]的參數分析

圓柱套筒底部內徑[R2]對天線阻抗匹配的影響如圖6所示。

圖6 [R2]的參數分析

由圖6可以看出，圓柱套筒底部內徑對天線電壓駐波比基本無影響，因此在不影響天線電性能的情況下[R2]可以選取較大值。

圓柱套筒頂部內徑[R3]對天線阻抗匹配的影響如圖7所示。

圖7 [R3]的參數分析

從圖7可以看出[R3]為2.5 mm時天線阻抗匹配最佳，全頻段內天線電壓駐波比小于3。

[R3]增大時，天線250 MHz附近電壓駐波比增大，[R3]減小時，天線320 MHz附近電壓駐波比增大。

由以上參數分析可以得到天線結構的最優尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm時天線的阻抗匹配達到最優狀態。

此時天線電壓駐波比曲線如圖8所示。天線增益及方向圖如圖9～圖12所示。

圖8 天線電壓駐波比

圖9 225 MHz天線方向圖

圖10 300 MHz天線方向圖

圖11 350 MHz天線方向圖

圖12 400 MHz天線方向圖

注：圖9～圖12中標記1為水平面方向圖增益最大值，標記2為水平面方向圖增益最小值。

2 實測結果

用AV3620V矢量網絡分析儀實測天線電壓駐波比如圖13所示。由圖13可以看出，天線在工作頻段內電壓駐波比小于2.5，阻抗匹配良好。

圖13 實測天線電壓駐波比

在微波暗室內實測天線方向圖如圖14所示，測試金屬反射面尺寸為Φ1 m。

圖14 實測天線方向圖

由天線實測方向圖可以看出，附加阻抗補償后的套筒天線方向圖與普通套筒天線相同，都為近似全向。可見，附加阻抗補償不改變套筒天線的方向圖特性。

同時由圖14可以看出作為一種全向天線，本天線的增益較高，工作頻段內增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz時增益達到2.2 dBi。

3 結 論

本文提出了一種對普通套筒天線進行阻抗補償的新方法。通過在普通套筒天線上下套筒之間連接金屬螺桿，使得天線在工作頻段低端的較大容抗得到補償，天線阻抗匹配明顯優化。同時通過仿真和實測證明這種對套筒天線進行阻抗補償的新方法不影響天線的增益及方向圖。因此，這種阻抗補償的方法可以應用于各種套筒單極天線。

參考文獻

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景麗，賀秀蓮，劉其中.有限圓盤地面上套筒單極子天線[J].西安電子科技大學學報，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.

圖6 [R2]的參數分析

由圖6可以看出，圓柱套筒底部內徑對天線電壓駐波比基本無影響，因此在不影響天線電性能的情況下[R2]可以選取較大值。

圓柱套筒頂部內徑[R3]對天線阻抗匹配的影響如圖7所示。

圖7 [R3]的參數分析

從圖7可以看出[R3]為2.5 mm時天線阻抗匹配最佳，全頻段內天線電壓駐波比小于3。

[R3]增大時，天線250 MHz附近電壓駐波比增大，[R3]減小時，天線320 MHz附近電壓駐波比增大。

由以上參數分析可以得到天線結構的最優尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm時天線的阻抗匹配達到最優狀態。

此時天線電壓駐波比曲線如圖8所示。天線增益及方向圖如圖9～圖12所示。

圖8 天線電壓駐波比

圖9 225 MHz天線方向圖

圖10 300 MHz天線方向圖

圖11 350 MHz天線方向圖

圖12 400 MHz天線方向圖

注：圖9～圖12中標記1為水平面方向圖增益最大值，標記2為水平面方向圖增益最小值。

2 實測結果

用AV3620V矢量網絡分析儀實測天線電壓駐波比如圖13所示。由圖13可以看出，天線在工作頻段內電壓駐波比小于2.5，阻抗匹配良好。

圖13 實測天線電壓駐波比

在微波暗室內實測天線方向圖如圖14所示，測試金屬反射面尺寸為Φ1 m。

圖14 實測天線方向圖

由天線實測方向圖可以看出，附加阻抗補償后的套筒天線方向圖與普通套筒天線相同，都為近似全向。可見，附加阻抗補償不改變套筒天線的方向圖特性。

同時由圖14可以看出作為一種全向天線，本天線的增益較高，工作頻段內增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz時增益達到2.2 dBi。

3 結 論

本文提出了一種對普通套筒天線進行阻抗補償的新方法。通過在普通套筒天線上下套筒之間連接金屬螺桿，使得天線在工作頻段低端的較大容抗得到補償，天線阻抗匹配明顯優化。同時通過仿真和實測證明這種對套筒天線進行阻抗補償的新方法不影響天線的增益及方向圖。因此，這種阻抗補償的方法可以應用于各種套筒單極天線。

參考文獻

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景麗，賀秀蓮，劉其中.有限圓盤地面上套筒單極子天線[J].西安電子科技大學學報，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.

圖6 [R2]的參數分析

由圖6可以看出，圓柱套筒底部內徑對天線電壓駐波比基本無影響，因此在不影響天線電性能的情況下[R2]可以選取較大值。

圓柱套筒頂部內徑[R3]對天線阻抗匹配的影響如圖7所示。

圖7 [R3]的參數分析

從圖7可以看出[R3]為2.5 mm時天線阻抗匹配最佳，全頻段內天線電壓駐波比小于3。

[R3]增大時，天線250 MHz附近電壓駐波比增大，[R3]減小時，天線320 MHz附近電壓駐波比增大。

由以上參數分析可以得到天線結構的最優尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm時天線的阻抗匹配達到最優狀態。

此時天線電壓駐波比曲線如圖8所示。天線增益及方向圖如圖9～圖12所示。

圖8 天線電壓駐波比

圖9 225 MHz天線方向圖

圖10 300 MHz天線方向圖

圖11 350 MHz天線方向圖

圖12 400 MHz天線方向圖

注：圖9～圖12中標記1為水平面方向圖增益最大值，標記2為水平面方向圖增益最小值。

2 實測結果

用AV3620V矢量網絡分析儀實測天線電壓駐波比如圖13所示。由圖13可以看出，天線在工作頻段內電壓駐波比小于2.5，阻抗匹配良好。

圖13 實測天線電壓駐波比

在微波暗室內實測天線方向圖如圖14所示，測試金屬反射面尺寸為Φ1 m。

圖14 實測天線方向圖

由天線實測方向圖可以看出，附加阻抗補償后的套筒天線方向圖與普通套筒天線相同，都為近似全向。可見，附加阻抗補償不改變套筒天線的方向圖特性。

同時由圖14可以看出作為一種全向天線，本天線的增益較高，工作頻段內增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz時增益達到2.2 dBi。

3 結 論

本文提出了一種對普通套筒天線進行阻抗補償的新方法。通過在普通套筒天線上下套筒之間連接金屬螺桿，使得天線在工作頻段低端的較大容抗得到補償，天線阻抗匹配明顯優化。同時通過仿真和實測證明這種對套筒天線進行阻抗補償的新方法不影響天線的增益及方向圖。因此，這種阻抗補償的方法可以應用于各種套筒單極天線。

參考文獻

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景麗，賀秀蓮，劉其中.有限圓盤地面上套筒單極子天線[J].西安電子科技大學學報，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.線天線的寬頻帶技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.