一種基于濾波器結構的多頻振子天線設計

張宇環，向小春，陳銀平，劉偉棟，張宇琛，李少龍

(1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.上海機電工程研究所，上海 201109；3.中國電波傳播研究所青島分所，山東 青島 266107)

0　引言

天線是能夠實現電磁波[1]發射和接收的裝備，是無線通信系統中不可缺少的部分。隨著技術的進步，對天線[2]的要求越來越高：一方面要求天線增益高、帶寬寬、甚至實現多頻工作；另一方面，要求天線體積小、重量輕。文獻[3-4]介紹了多頻微帶天線的設計方法；文獻[5-8]介紹了基于FDTD分析的寬頻帶印刷偶極子天線及饋電巴倫的設計方法；上海無線電設備研究所玄曉波基于振子天線以及Vivaldi天線原理設計了一種工作600 MHz/1 800 MHz的雙頻天線[9]；射頻開關的應用給天線頻率復用提供了有效借鑒，文獻[10-12]給出了結合分布參數分析的濾波器的設計方法。本文創新性地利用半鋼電纜的分布參數，實現了UHF以及VHF頻段的低通濾波特性，進而實現了天線的3頻工作特性，并采用螺旋加載方式，實現了天線的小型化設計，HFSS軟件仿真結果顯示按照本文所述方法設計的天線在3個頻段都具有較好的輻射性能。

1　天線總體設計

一種基本的LC低通濾波器電路示意圖如圖1所示，根據切比雪夫低通原型的設計原理可以得出對應的UHF、VHF頻點相對應的電感、電容數值如表1所示。在HFSS軟件建模仿真的時候將UHF、VHF頻點對應的電感、電容值賦給等效的Lumped_LCR電路，并通過仿真結果判定計算的正確性。

圖1　切比雪夫低通濾波器電路結構

表1HFSS軟件仿真時輸入的電感、電容的數值

頻段VHFUHFL/nH6．86．8C/pF23．33．25

如何制作在UHF以及VHF頻段具備低通特性的濾波器是本方案的關鍵技術。

天線從饋電點到濾波器的部分可等效為一段短路傳輸線，從濾波器至天線終端可等效為開路分支，并據此確定濾波器電感電容值。合適的等效電感和電容會在相應的頻點處產生理想的諧振，天線的每一個串接的電感電容網絡在諧振頻帶的低端都呈現高的感抗特性，在諧振頻帶的高端呈高的容抗特性，理想的LC網絡阻抗為：

天線傳輸線部分的等效阻抗公式如下：

Z2=cwj(tanθ1-cotθ2)，

式中，cw為傳輸線特性阻抗，cw=138lg4d/h；d為輻射振子直徑；h為天線輻射振子距地面的高度；θ1和θ2為輻射振子等效電長度。

當工作頻率和加載的濾波器在輻射振子中的位置確定后，通過Z1+Z2=0，使得沿輻射振子的阻抗虛部為0，即可得到合適的濾波器。

工程實現過程中，將電纜繞制的濾波器與輻射振子相連，通過調節繞制長度和疊加層數來調整天線在相應頻點的駐波特性，最終實現濾波器制作。通過上述方法，利用HUBER+SUHNER公司F141型半鋼電纜進行繞制。

天線的饋電振子及結構形式如圖2所示。L波段振子通過焊接與饋電巴倫固定并通過綁扎固定在玻璃鋼支撐座上。UHF頻段輻射振子采用螺旋加載方式實現小型化設計。UHF頻段濾波器采用同軸線制作，利用同軸線的分布參數實現濾波器性能，結構形式如圖2中UHF濾波器所示，并通過尼龍線與振子支撐綁扎固定，頂部通過與L振子焊接實現結構固定以及電連接；底部通過與UHF頻段輻射振子相連，進而實現天線UHF頻段工作。VHF頻段輻射振子及濾波器設計與UHF頻段相同，只是螺旋加載的輻射振子長度以及濾波器分布參數有所區別。螺旋支柱采用聚酰亞胺材料加工而成，通過螺紋方式實現結構固定，通過焊接方式實現電連接；振子支撐與玻璃鋼支撐座通過介質螺釘固定。

圖2　天線饋電振子模型

2　仿真與測試分析

天線采用背射型正交偶極子天線形式，利用濾波器實現3個頻率分離，并且各頻段振子與各頻段反射板間距為相應工作頻段的1/4波長。天線采用硬同軸電纜方式饋電，信號從硬同軸電纜饋入，在L頻段輻射振子中心分別接振子兩臂，完成天線饋電，末端通過星體金屬反射板短路，形成λ/4短路傳輸線巴倫。濾波器采用同軸線制作，利用同軸線分布參數，在VHF以及UHF頻段呈低通濾波器特性，從而實現頻率分離；同時通過螺旋加載的方式有效減小了UHF與VHF頻段輻射振子長度。與常用的對稱振子圓極化天線相比，本方案因3頻共振子設計簡化了天線饋電方式，由對稱振子方案的3個頻率6路饋電巴倫減少為2路，優化了天線的饋電結構。

按照上述設計，對3頻信標發射天線進行了仿真設計與優化，并考慮實際金屬支撐管對天線各電性能的影響，建立了完整的仿真模型進行仿真分析，首先根據前節分析與設計，對天線模型進行了仿真與初步優化，并得到了天線振子的基本輻射特性，天線振子仿真模型如圖3所示。

圖3　3頻發射天線仿真模型

各頻段電性能仿真設計以及實測結果對比如圖4、圖5和圖6所示。

圖4　VHF頻段增益/軸比方向圖

圖5　UHF頻段增益/軸比方向圖

圖6　L頻段增益/軸比方向圖

從對比分析結果可知，L頻段仿真結果增益7.5 dB，在±45°凹陷達11 dB，實際測試中增益約6 dB，±45°凹陷10 dB，與仿真結果一致；VHF頻段仿真結果與實測結果除增益差距較大外，波束寬度以及波束形狀宇仿真結果完全一致；UHF頻段仿真結果與實測結果雖差別較大，但方向圖凸起以及凹陷位置增益與仿真結果基本一致，證明了所述設計方法的可行性。

3　結束語

本文通過巧妙的結構設計，實現了對稱振子天線3頻圓極化工作特性，并通過實測結果進行了設計驗證，為多頻天線設計提供了新的設計思路。仿真和測試結果表明，天線能夠實現對稱振子天線3頻圓極化同時工作，但天線在UHF與VHF頻段的實測增益與仿真結果相比有較大差別。經分析，導致這一現象的原因是采用電纜繞制方法制作的濾波器插入損耗大。因此，后續將針對電纜繞制濾波器分布參數隨頻率變化的特性角度進行研究分析，同時結合電纜繞制濾波器制作工藝，進一步優化天線實現過程，提高天線性能。

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