一種可遷移高增益短波天線設計

牛旭博，關夢然，買 鵬，劉茂全

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引言

短波無線電系統具有探測距離遠、抗毀性強和自主通信能力強等優點，被廣泛應用于通信、雷達、電磁環境監測、海態遙感和廣播等領域[1-3]。短波天線是短波無線電系統至關重要的組成部分。目前，常見的短波天線有偶極子天線[4]、對數周期天線[5-6]、魚骨天線[7]和菱形天線[8]等。

由于短波波長較長，短波頻段的天線尺寸一般較大，例如應用廣泛的對數周期天線就由多根長度較長的振子組成。這樣的大結構不便于天線的生產、運輸、安裝、維護和遷移[9-10]。如何設計一種結構簡單、遷移方便，同時電性能優良、增益較高的天線，是短波天線發展過程中需要面臨的重要問題。

本文基于偶極子天線理論，通過改進的單極子天線，添加反射板，設計了一種結構簡單、遷移性好的新型天線，并采用HFSS電磁仿真軟件仿真分析了天線的電性能指標，仿真結果表明，新型天線的電壓駐波比小、方向性強且增益高。

1 天線設計

1.1 理論分析

1.1.1 偶極子天線

偶極子天線(對稱振子天線)實際上就是2根具有相同長度和粗細的直導線，經過中間的2個端點進行饋電的最基本的天線[11]，其結構如圖1所示。其中，單個導線的長度就是對稱振子的臂長，記為l。

圖1 對稱振子結構Fig.1 Structure diagram ofdipole

由圖1可以看出，將對稱振子上的電流分布看作是開路長導線上的電流在距離端口l位置電流分布張開而來。假設開路長導線是無耗的，那么導線上分布的是正弦電流，正弦電流在導線上呈現的波形與導線臂的電長度有關。把對稱振子的中心看作是坐標原點，對稱振子臂沿z軸放置。對稱振子上的正弦電流分布可以表示為：

式中，IM為波腹電流；l為對稱振子臂長；αα為對稱振子電流傳輸的相移常數。振子臂長不同，振子上電流呈現波形也不同，這里需要知道幾個特殊的對稱振子。

全長為一個波長，即2l=λ的對稱振子，被稱作是全波振子；全長等于半個波長，即2l=0.5λ的對稱振子，是半波對稱振子。在實際應用中，半波振子最為常用。

半波對稱振子的分布參數不均勻，因此將其看作由很多個長度為dz的電基本振子連接而成，電基本振子上電流近似等幅同相分布，整個天線的遠區輻射場可由疊加原理得到。半波對稱振子電流分布的坐標表示如圖2所示。

圖2 半波對稱振子電流分布的坐標表示Fig.2 Coordinate representation of half-wavedipole current distribution

對半波長的對稱振子而言，l=λ/4，得到半波對稱振子天線的場強方向函數為：

垂直放置的偶極子天線輻射方向圖如圖3所示。

圖3 半波對稱振子方向圖Fig.3 Pattern of half-wave dipole

對應的3 dB的波束寬度約為78°，輸入阻抗約為73.1 Ω。在實際工程中，為使天線產生諧振，電抗為零，需要天線兩臂的長度l比半波長略短，此時輻射電阻降為70 Ω左右。同時可以看出f(θ，φ)在θ=π/2時有最大值1，在θ=0處出現最小值0。

1.1.2 鏡像原理

根據鏡像原理，討論一個電流元在無線大理想導電平面上的輻射場時，應滿足在該理想導電平面上的切向電場處處為零的邊界條件[12]。為此，可在導電平面的另一側設置一鏡像電流元，該鏡像電流元的作用就是代替導電平面上的感應電流，使得真實電流元和鏡像電流元的合成場在理想導電平面的切向值處處為零。由于鏡像電流元不位于求解空間內，因而在真實電流元所處的上半空間，一個電流元在無限大理想導電平面上的輻射場就可以由真實電流元與鏡像電流元的合成場而得到。如圖4所示，水平電流元的鏡像為理想導電平面另一側對稱位置處的等幅反相電流元，稱為負鏡像；而垂直電流元的鏡像為理想導電平面另一側對稱位置處的等幅同相電流元，稱為正鏡像；傾斜電流元的鏡像與水平電流元的鏡像相同，也為對稱位置處的負鏡像。值得強調的是，鏡像法只在真實電流元所處的半空間內有效。

圖4 電流元的鏡像Fig.4 Mirror image of current element

對于電流分布不均勻的實際天線，可以把它分解成許多電流元，所有電流元的鏡像集合起來即為整個天線的鏡像。如圖5所示，水平線天線的鏡像一定為負鏡像；垂直對稱線天線的鏡像為正鏡像。至于垂直架設的駐波單導線，其鏡像的正負視單導線的長度l而定。例如，對于l=λ/2的駐波單導線，其鏡像為正，而對于l=λ的駐波單導線，其鏡像為負。

圖5 線天線的鏡像Fig.5 Mirror image of line antenna

用鏡像天線代替反射面的作用后，反射面對天線電性能的影響，就轉化為實際天線和鏡像天線構成的二元陣的相應問題。

1.2 傳統天線結構

傳統的單極子天線結構示意如圖6所示，天線長度為偶極子天線的一半，天線垂直放置在地面上方。

圖6 常見的單極子天線結構示意Fig.6 Schematic diagram of common monopole antenna structure

仿真單極子天線，取fL，fM，fH三個頻點的方向圖，如圖7所示。天線的方向圖規則、對稱，性能良好，單極子天線在fL，fM，fH三個頻點的增益分別為6.2，7.1，7.1 dB。

1.3 新型天線結構

本文設計的新型天線主體為垂直放置的單極“豎籠”天線，如圖8所示。

天線的高度l約為λM/4(λM為中心工作頻率相對應的波長)，與下方地面提供的鏡像面效果，共同組成半波對稱振子。

天線下方為地，天線距離地面高度h不可過大[13]，h為天線提供饋電間隙，避免h取值過大影響天線的輻射，應取h<

天線的半徑越粗，平均特性阻抗越低，其輸入阻抗隨頻率的變化越平坦，相應越容易在寬帶內匹配[15]。考慮到短波天線的尺寸和重量，通常將天線用多根導線排成圓形，如圖9所示。將天線的中間部分做的較大，上端及下端做的較小，這就構成了單極“豎籠”天線。天線中間部分的半徑r，建議取值λM/10左右，天線上端及下端半徑a，建議取值5 cm

天線中心距離反射板的距離，與天線在工作頻率的波束指向有：

式中，θ為波束指向與反射板的夾角；λ為工作頻率相對應的波長；d為反射板與天線的間距。

可以根據波束指向需要，來確定反射板的距離。饋電口位于天線底端，采用同軸線饋電，饋線阻抗使用常見的50 Ω。

2 仿真與分析

使用HFSS電磁仿真軟件對本新型天線進行仿真計算，仿真模型如圖10所示。分析了新型天線的電壓駐波比、方向圖和增益等電性能指標，證明了本天線較高的增益和良好的方向性。

圖10 新型天線的仿真模型Fig.10 Diagram of simulation model of new antenna

2.1 天線駐波比

電壓駐波比是天線的重要特征參數，可以用來表述天線的匹配程度，也是表述天線反射系數的參數。電壓駐波比越小，表明天線的匹配程度越好，反射系數越小，輸入天線的功率，反射回來的就越少，對天線后端電路有積極作用。

新型天線的電壓駐波比仿真曲線如圖11所示。可以看出，新型天線的電壓駐波比在較寬的工作頻段內均小于2.1，這對于短波頻段的天線而言，性能良好。

圖11 新型天線的電壓駐波比Fig.11 Voltage standing wave ratio of new antenna

2.2 天線方向圖

仿真了天線E面和H面的方向圖，如圖12所示，取了fL，fM，fH三個頻點。從天線的E面和H面方向圖可以看出，天線的定向輻射能力強，波束能量集中在需要的方向上，提高了天線的有效使用率，這是添加天線反射板的有益效果。

圖12 新型天線的方向圖Fig.12 New antenna pattern

天線在fL，fM，fH三個頻點的增益分別為9.0，10.0，10.1 dB，對于單天線而言，輻射性能良好，增益高。

與傳統的單極子天線比較，由于新型天線的波束能量比較集中，新型天線的增益在相同的頻點上增大了3 dB，電性能提高一倍左右，具有定向性強、增益高的優點。

3 遷移方法比較

在短波天線急速發展的今天，短波天線在追求電性能良好的同時，也在尋求結構簡單、遷移便捷的天線，這對于一些苛刻環境下的應用是有利的，可以在外界有急切需求時，迅速地將一套已經正常運行的天線從一個地方遷移到外界需要的地方投入使用，這可以有效地節省人力、物力和財力，更主要的是可以不必重新計量生產制造周期，節省時間。

應用廣泛的短波天線——對數周期天線，如圖13所示，由多根長度較長的振子組成，每根振子工作在相應的頻段上，天線需要高架。本文提出的新型天線，如圖14所示，天線主體由絕緣材料支撐，位于反射板的中心線上，由于短波波長較長，可以使用結構簡單、架設容易的反射網代替反射板，反射網對于波的透射率δ：

式中，λ為工作頻率對應的波長；s為網線間距；p為網線半徑；透射率δ<-15 dB即可滿足使用。

圖13 對數周期天線Fig.13 Log periodic antenna

圖14 新型單極豎籠天線Fig.14 New monopole vertical cage antenna

對數周期天線與新型天線的結構對比如表1所示。通過對比可知，新型天線的尺寸和重量明顯小于對數周期天線，且對數周期天線的架設高度較高，其支撐立柱有一定量的載重，安裝、維護更加困難，可遷移性進一步降低。而新型單極“豎籠”天線，結構簡單，高度較低，天線組成量較少，安裝、維護和拆卸均比較方便，可遷移性強，可以有效地滿足外界環境對于天線遷移的需求。

表1 對數周期天線與新型天線的結構對比

4 結束語

本文提出了一種可遷移高增益的短波天線，由改進而來的單極子天線垂直放置，通過添加反射板而形成。采用HFSS電磁仿真軟件仿真了新型天線的電性能，仿真結果表明該天線電壓駐波比小、定向性強和增益高，可以廣泛地應用于廣播通信、環境監測和雷達探測等領域。與對數周期短波天線的遷移性進行了對比，表明該天線結構簡單，便于安裝、維護和拆卸，遷移性好。該天線已經在短波天線陣工程中得到有效的應用，同時通過實踐驗證了天線的電性能，且遷移性良好。