基于RLC集總加載的鞭狀寬帶天線設計

王瑞玲

（中國電波傳播研究所，河南 新鄉 453003）

0 引 言

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與工作帶寬的要求也越來越高。鞭狀天線是全向輻射的特殊天線，由于其體積小、性能穩定、抗風性能好，因此適合在移動載體上安裝使用，是短波、超短波電臺進行移動通信時最常用的天線。但天線小型化和輸入阻抗在頻帶內變化平穩的趨勢限制了其發展，加載技術是天線工程中常用的小型化與寬帶化方法，通過在天線的適當位置加載電阻、電抗或導體等來改善天線中的電流分布，以改善單極天線的帶寬特性[1,2]。

1 天線結構組成

本文設計了收、發兩種鞭狀天線，其技術指標略有不同，發射天線要求駐波比≤3，接收天線要求駐波比≤2。設計時遵循通用化和模塊化原則，收、發兩種天線盡量采用相同或相近的結構形式，材料選用相同的品種及規格，功能相似的零部件盡量采用相同的尺寸。兩種天線的組成單元相同，均由輻射體、上加載單元、下加載單元、阻抗匹配器以及地網組成。

圖1 天線結構

2 原理及框圖

鞭天線的工作原理和有限導電平面上的單極天線相同[3]。但單極天線輸入阻抗在3～30 MHz內變化劇烈，不能滿足寬帶發射要求。為了改善單極天線的帶寬特性，可以采用多種方法展寬帶寬，如加粗振子、采用多諧振形式以及沿振子線集總或分布加載等。考慮到工程實現的可行性和性價比，可采用集總加載方式展寬帶寬，其天線電路原理如圖2所示。

圖2 天線電路原理

加載時若只采用電阻加載，雖然能擴展頻帶，但是效率極低，而采用無電阻的加載網絡則很難滿足寬帶要求。本文設計采用無線鏈路控制層協議（Radio Link Control，RLC）集總加載方式，輸入阻抗在整個頻帶內變化平緩，效率損失得到控制。根據指標要求，在滿足駐波比的前提下加載參數設計時要盡量提高天線效率。發射天線駐波比要求較接收天線稍低，經過優化選擇的加載參數有所不同，得到的天線電氣性能也不盡相同。

3 天線設計

3.1 設計過程

根據指標要求，天線長度為10 m，是工作波長的0.1～1倍，在低頻輸入阻抗時呈現低阻高容。因此，在設計過程中首先考慮6～30 MHz的匹配，而低于6 MHz的則通過在輸入端接入匹配網絡來滿足駐波比的要求。

參考以往產品的設計結果，經過對比多種形式的網絡結構，對元件參數進行選擇和優化。設計的收、發兩種鞭天線均選擇300 Ω/50 Ω阻抗匹配網絡，輻射體1的長度分別為5.8 m和0.3 m，輻射體2的長度分別為2.3 m和7.7 m，輻射體3的長度分別為1.9 m和3 m。天線的加載單元和匹配網絡可選擇RLC串聯、并聯或串并結合的形式[4]。

3.2 駐波比

在信號傳輸系統中，如果網絡的輸出阻抗與負載電阻或者信號源的內阻與網絡輸入阻抗不匹配，則在信號傳輸過程中就會產生反射，最終形成駐波[5]。若入射波與反射波的相位相反，彼此抵消導致其振動幅度最小，此即為波谷，該振幅以Umin表示；若入射波與反射波的相位相同，則彼此疊加后產生的振動幅度最大，此即為波腹，該振幅以Umax表示[6,7]。

駐波比全稱為電壓駐波比，可以用VSWR表示，指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比。駐波比為1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗；駐波比為無窮大時，表示全輻射，能量完全沒有輻射出去。駐波比計算公式為：

式中，Umax為傳輸線上信號電壓最大值，Umin為傳輸線上信號電壓最小值。駐波比計算結果如圖3所示。

圖3 駐波比

3.3 元器件選擇

按發射機在鞭狀寬帶天線（發）上輸出1 kW的平均功率、2 kW的峰值功率計算各器件上的電流分布，推算出每個器件上電壓、載流以及承受功率的情況，并在工程實現時按此要求選擇匹配和加載元件。輻射體最細為Ф10的金屬鋁管，完全能滿足功率容量的需求。

3.3.1 阻抗匹配器和電感

選擇5片NXO-400磁環摞好，用Ф2鍍銀高溫線繞制50 Ω/200 Ω阻抗匹配器，根據原有產品經驗，此阻抗匹配器可承受2 kW的平均功率。按照1 kW平均功率計算饋電處電感載流，在3 MHz時電流最大，其值為4.6 A，電感電壓最大為315.69 V[8]。另外，選擇BV2.5漆包線繞制如圖4所示的電感。

圖4 匹配電感

3.3.2 下加載單元元器件

按下加載處電流計算，在3 MHz時的電感載流最大，為6.72 A；4.35 MHz時電感與電容耐壓最大，為509.23 V；4.35 MHz時電阻損耗功率最大，為864.39 W。同樣選擇BV2.5漆包線繞制，選擇220PF-2 kV的標準電容，與150 ～500 Ω的電阻[9]。

3.3.3 上加載單元元器件

按上加載處電流計算，在13.8 MHz時電感載流最大，為2.56 A；16.5 MHz時電感耐壓最大，為413.56 V；16.5 MHz時電阻功率最大，為 570.11 W。同樣選擇BV2.5漆包線繞制，選擇450 ～500 Ω的電阻。

4 模型試驗結果

按照計算結果，制作了1∶1模型天線，并進行了模型駐波比測試[10,11]。結果表明,在0～30 MHz內，鞭狀寬帶天線（收）駐波比，鞭狀寬帶天線（發）駐波比均可以滿足要求指標要求，兩種天線的駐波比測試如圖5所示。

圖5 兩種天線的駐波比測試

5 結 論

本文設計了一種基于RLC集總加載方式的鞭狀天線,為了在頻帶內得到較好的駐波比，設計了合理的RLC加載位置，并選擇了合適的元器件值等參量。根據軟件仿真計算和實際模型試驗，結果表明，在3～30 MHz，接收天線駐波比≤2，發射天線駐波比≤3，兩種天線性能均能達到指標要求。