基于楞形線網結構的短波寬帶偶極天線優化設計研究

柳湘川?艾文珵?黃浩

摘要：設計了一款輻射體為兩個正交平面線網結構的短波楞形偶極子寬帶線天線。天線由兩個楞形線網輻射單元組成，為了使天線寬頻帶工作，輻射單元的截面為十字形，分別對應一個水平面線網和一個垂直面線網，在兩個輻射單元的中間設置一個平衡—非平衡阻抗變換器。采用FEKO軟件對該天線的電特性進行了建模仿真，分析了不同結構參數時天線的電壓駐波比（VSWR）和增益特性。仿真結果表明，在3～30MHz頻帶內，該天線電壓駐波比小于3，在一般地面上平均增益可達9dBi。

關鍵詞：線天線；寬帶天線；短波天線

一、前言

短波以天波傳播，可用較小功率和較簡單的設備達到超視距無線通信。現代短波軍事通信要求短波天線寬帶化，短波寬帶天線與寬帶收發信機連接使用時無須調諧，可實現寬帶跳、擴頻通信，使短波通信系統具有對付現代通信電子戰的能力。

為了保證天線的高輻射效率，不宜對天線體進行加載。在此條件下，實現雙極類天線寬頻帶特性的最有效的方法就是加大天線體的直徑[1-2]，籠形天線就是一種經典的短波寬帶天線。短波低頻端工作波長較長（可達100m），要實現天線寬帶化，則要求加大籠形天線的籠徑，這就給天線的結構設計和安裝架設增加了難度。本文提出一款“基于楞形線網結構的短波寬帶偶極天線”，它將籠形振子中間段圓柱面上的籠線和兩端圓錐面上的籠線用兩正交平面線網結構代替，且水平面線網的寬度遠小于垂直面線網的寬度，便于懸掛在天線兩端的支撐桿之間。該天線工作頻帶為3～30MHz，天線平均增益可達約9dBi。作為一種中近距離的短波收/發天線，該天線具有工作頻帶較寬、輻射效率高、方向性弱等特點，可用于短波通信基站的全向發信或收信天線。本文對基于楞形線網結構的短波偶極天線進行寬帶化設計和電氣性能分析。

二、天線結構

基于面型線網結構的短波寬帶偶極天線結構如圖1所示。天線由兩個楞形線網輻射單元組成，在兩個輻射單元的中間設置匹配器。天線體兩端懸掛在兩個支撐桅桿的頂部，桅桿的高度取決于通信距離。作為主要用于3000km以內短波天波通信的天線，天線支撐桿的高度可在17.5～27.5m的范圍內選取，典型的天線線網結構上邊沿的高度取22.5m，線網結構下邊沿的高度取約15m。

為了使天線寬頻帶工作，該天線的輻射體為一個線網結構的楞形偶極子；該偶極子的截面為十字形，分別對應一個水平面線網和一個垂直面線網。為了便于安裝，水平面線網的寬度遠小于垂直面線網的寬度；垂直面線網振子線數量可取7～11根，水平線網振子線數量一般取3根，且這兩個面的中心振子線共線。該楞形線網輻射單元由三段組成，中間段為矩形線網，內外兩端為三角形線網。天線由輻射組件、固定組件、下引線、饋線桿、支撐桿等組成。其中，輻射組件包括垂直輻射體和水平輻射體；固定組件包括頂吊索、垂直吊索、中吊索、下吊索，除垂直吊索呈豎向或近似豎向設置外，其他吊索均呈水平或者近似水平設置。天線輻射組件可通過固定組件中的各吊索張拉至兩側的支撐桿上。

垂直輻射體包括7～11根呈水平狀態的振子線，這些振子線通過若干并排設置的十字支架實現上下平行間隔排列，相鄰振子在豎向上的間隔為0.6～1.2m。最上層的振子與頂吊索共線，最下層的振子與下吊索共線。所有振子先在中部通過中部連接板進行固定并對應連接至下引線，所有振子的端部均通過端部連接板進行固定并連接至中吊索。中部連接板通過垂直吊索固定在頂吊索上，頂吊索、中吊索和下吊索的端部連接至支撐桿進行固定。

水平輻射體為三根在同一水平面上并排設置的振子線，這些水平面上并排設置的振子線固定在各十字支架的水平支架上，各水平振子線之間的間隔在0.3～0.8m之間選取，典型間隔取0.5m。水平輻射體中所有振子線的中部也通過中部連接板進行固定，且所有振子的端部通過端部連接板進行固定并連接至中吊索。水平輻射體中心的振子與垂直輻射體中心的振子為同一根振子線。

中間連接板包括并排間隔設置的兩塊垂直連接板，兩塊垂直連接板之間通過兩塊絕緣板連接，使得兩塊垂直連接板之間絕緣。中間連接板兩側中部分別設置有呈水平狀態的水平連接板，該水平連接板與對應的垂直連接板應進行可靠的結構連接和電氣連接。垂直吊索的底端與中間連接板的頂部對應連接，天線匹配器就設置在兩塊中間連接板的中間。在兩塊中間連接板兩側分別開設有若干個連接孔連接輻射體的振子線。

合適選擇楞形線網各段線網的長度、導線的數量，導線之間的間距等可以獲得10∶1的工作帶寬。頂吊索采用直徑為8mm的不繡鋼絲繩，其他線網導線采用直徑為3mm的不繡鋼絲繩，鋼絲繩的柔軟特性可方便天線重復收放，使之具有可機動架設的特點[3]。天線匹配器設計為一個平衡—非平衡阻抗變換器[4-5]，它將非平衡的同軸電纜變換到偶極子天線兩臂的平衡饋電，同時完成阻抗變換，實現天線與50Ω同軸饋線的阻抗匹配。該平衡—非平衡阻抗變換器基于傳輸線變壓器原理進行設計，具有比普通阻抗變換器寬得多的帶寬，可以滿足3～30MHz頻率范圍使用要求。

三、性能仿真及分析

對于復雜線網結構的天線可以采用矩量法進行分析[6-7]。本文采用基于矩量法的FEKO仿真軟件，對基于楞形線網結構的短波寬帶偶極天線建立了電氣性能仿真模型，模型不但包含直接參與天線輻射的部件，而且對支撐桿等金屬結構也一并進行了建模。模型中天線導線和支撐結構件材質的導電率取σ=1.4×106s/m，一般地面的電參數取σ=1×10-2s/m， εr=15，μr=1 。

楞形短波寬帶偶極天線的結構尺寸和器件參數為：天線臂長ι=17.5～27.5m，其中ι1=2～6m，ι2=11.5～21.5m，ι3=2m；垂直面線網寬度ω1=7.6m，水平面線網端寬ω2=1m；天線高度（頂吊索距地面高度）h=17.5～27.5m；垂直面線網振子線數量N1=7～11根，水平線網振子線數量N2=3根，傳輸線變壓器的變比為4∶1。

在建立了天線電氣性能仿真模型后，在3～30MHz工作頻帶內對天線的駐波比、增益、方向圖等電氣特性進行了仿真計算。

（一）不同臂長ι時天線VSWR和增益性能

天線臂長ι分別取17.5m、22.5m、27.5m，其中ι1=4m，ι2=11.5m、16.5m、21.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同臂長ι時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結果如圖2所示。

由圖2可以看出，可以看出，天線臂長ι越長，低頻段駐波比越小；當ι=22.5m時，3MHz頻率駐波比小于3。天線臂長ι越長，低頻段增益越高；高頻段天線增益隨臂長變化不明顯。

（二）不同內端三角形線網段長ι1時天線VSWR和增益性能

楞形短波寬帶偶極天線的內端三角形線網是天線振子臂從饋電點逐步展開的過渡段，該段長度ι1是天線設計需要考慮的一個重要參數。天線臂長ι取22.5m，其中ι1=2m、4m、6m，ι3=2m，ι2=ι-ι3-ι1；ω1=7.6m； ω2=1m； h=22.5m； N1= 9根； N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同三角形線網段長 時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結果如圖3所示。

由圖3可以看出，振子內端三角形線網段長度ι1越長，高頻段駐波比越大；當ι1=4m時，3～30MHz頻帶內的駐波比均小于3。在ι1長分別取2m、4m、6m時天線增益仿真結果中，ι1=4m時的天線增益隨頻率變化最穩定。

（三）不同振子線數量時天線VSWR和增益性能

垂直面線網振子線數量N1分別取7根、9根、11根；N2=3根；天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同振子線數量時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結果如圖4所示。

可以看出，垂直面線網振子線數量越多，天線駐波比和增益性能越好。當 N1≥9根時，天線駐波比和增益性能趨于穩定，因此本文垂直面線網振子線數量N1取9根是合適的。

（四）不同架設高度時天線VSWR和增益性能

天線架設高度h分別取17.5m、22.5m、27.5m；天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同架設高度時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結果如圖5所示。可以看出，天線高度h越高，低頻段天線駐波比越低；高頻段天線駐波比與天線架高關系不明顯。天線架設高度越高，增益亦整體越高。

（五）天線方向圖

根據以上分析，綜合考慮天線增益及駐波比性能，天線參數取值如下：天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。該天線三個典型頻率的方向圖仿真結果如圖6所示。

由圖6可知，在低頻段，該天線方向圖仰角較高，適合近距離通信。隨著頻率的升高，該天線方向圖仰角降低，適合中遠距離通信。該天線水平面方向圖呈現多個波瓣，有利于中近距離內對多個通信對象的通信。該天線低頻段高仰角水平面的方向性較弱，由于水平架設天線高度越低，水平面方向圖的全向性越好[3]，因此在低頻段該天線可采用低架的方法來實現全向通信。

四、結語

本文設計了一款基于線網結構的新型短波寬帶偶極子天線，采用楞形偶極子線天線形式和平衡—非平衡變換器饋電，實現了10∶1工作寬帶，獲得了優良的天線電氣性能。并對不同結構參數時的天線電壓駐波比和增益特性進行了計算和分析。仿真結果表明，該天線在3～30MHz工作頻段內駐波比小于3，在一般地面上平均增益可達約9dBi。該天線占地面積小，架設方便，適用于中小型基站3000km以內的短波通信。

參考文獻

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