基于RLC集總加載的鞭狀寬帶天線設(shè)計(jì)

王瑞玲

（中國(guó)電波傳播研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

隨著跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代高頻通信系統(tǒng)對(duì)天線的輻射性能與工作帶寬的要求也越來(lái)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(wěn)定、抗風(fēng)性能好，因此適合在移動(dòng)載體上安裝使用，是短波、超短波電臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)通信時(shí)最常用的天線。但天線小型化和輸入阻抗在頻帶內(nèi)變化平穩(wěn)的趨勢(shì)限制了其發(fā)展，加載技術(shù)是天線工程中常用的小型化與寬帶化方法，通過(guò)在天線的適當(dāng)位置加載電阻、電抗或?qū)w等來(lái)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(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)了收、發(fā)兩種鞭狀天線，其技術(shù)指標(biāo)略有不同，發(fā)射天線要求駐波比≤3，接收天線要求駐波比≤2。設(shè)計(jì)時(shí)遵循通用化和模塊化原則，收、發(fā)兩種天線盡量采用相同或相近的結(jié)構(gòu)形式，材料選用相同的品種及規(guī)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(wǎng)組成。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 原理及框圖

鞭天線的工作原理和有限導(dǎo)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(nèi)變化劇烈，不能滿足寬帶發(fā)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(shí)現(xiàn)的可行性和性?xún)r(jià)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(shí)若只采用電阻加載，雖然能擴(kuò)展頻帶，但是效率極低，而采用無(wú)電阻的加載網(wǎng)絡(luò)則很難滿足寬帶要求。本文設(shè)計(jì)采用無(wú)線鏈路控制層協(xié)議（Radio Link Control，RLC）集總加載方式，輸入阻抗在整個(gè)頻帶內(nèi)變化平緩，效率損失得到控制。根據(jù)指標(biāo)要求，在滿足駐波比的前提下加載參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量提高天線效率。發(fā)射天線駐波比要求較接收天線稍低，經(jīng)過(guò)優(yōu)化選擇的加載參數(shù)有所不同，得到的天線電氣性能也不盡相同。

3 天線設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)指標(biāo)要求，天線長(zhǎng)度為10 m，是工作波長(zhǎng)的0.1～1倍，在低頻輸入阻抗時(shí)呈現(xiàn)低阻高容。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先考慮6～30 MHz的匹配，而低于6 MHz的則通過(guò)在輸入端接入匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足駐波比的要求。

參考以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)比多種形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行選擇和優(yōu)化。設(shè)計(jì)的收、發(fā)兩種鞭天線均選擇300 Ω/50 Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，輻射體1的長(zhǎng)度分別為5.8 m和0.3 m，輻射體2的長(zhǎng)度分別為2.3 m和7.7 m，輻射體3的長(zhǎng)度分別為1.9 m和3 m。天線的加載單元和匹配網(wǎng)絡(luò)可選擇RLC串聯(lián)、并聯(lián)或串并結(jié)合的形式[4]。

3.2 駐波比

在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，如果網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗與負(fù)載電阻或者信號(hào)源的內(nèi)阻與網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗不匹配，則在信號(hào)傳輸過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致其振動(dòng)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(chǎn)生的振動(dòng)幅度最大，此即為波腹，該振幅以Umax表示[6,7]。

駐波比全稱(chēng)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(shí)，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線輻射出去，沒(méi)有能量的反射損耗；駐波比為無(wú)窮大時(shí)，表示全輻射，能量完全沒(méi)有輻射出去。駐波比計(jì)算公式為：

式中，Umax為傳輸線上信號(hào)電壓最大值，Umin為傳輸線上信號(hào)電壓最小值。駐波比計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 駐波比

3.3 元器件選擇

按發(fā)射機(jī)在鞭狀寬帶天線（發(fā)）上輸出1 kW的平均功率、2 kW的峰值功率計(jì)算各器件上的電流分布，推算出每個(gè)器件上電壓、載流以及承受功率的情況，并在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)按此要求選擇匹配和加載元件。輻射體最細(xì)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(huán)摞好，用Ф2鍍銀高溫線繞制50 Ω/200 Ω阻抗匹配器，根據(jù)原有產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，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(jì)算饋電處電感載流，在3 MHz時(shí)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(jì)算，在3 MHz時(shí)的電感載流最大，為6.72 A；4.35 MHz時(shí)電感與電容耐壓最大，為509.23 V；4.35 MHz時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，在13.8 MHz時(shí)電感載流最大，為2.56 A；16.5 MHz時(shí)電感耐壓最大，為413.56 V；16.5 MHz時(shí)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(yàn)結(jié)果

按照計(jì)算結(jié)果，制作了1∶1模型天線，并進(jìn)行了模型駐波比測(cè)試[10,11]。結(jié)果表明,在0～30 MHz內(nèi)，鞭狀寬帶天線（收）駐波比，鞭狀寬帶天線（發(fā)）駐波比均可以滿足要求指標(biāo)要求，兩種天線的駐波比測(cè)試如圖5所示。

圖5 兩種天線的駐波比測(cè)試

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于RLC集總加載方式的鞭狀天線,為了在頻帶內(nèi)得到較好的駐波比，設(shè)計(jì)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(jù)軟件仿真計(jì)算和實(shí)際模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，在3～30 MHz，接收天線駐波比≤2，發(fā)射天線駐波比≤3，兩種天線性能均能達(dá)到指標(biāo)要求。